elektrotehnički fakultet univerziteta u beogradu · 1 energetska elektronika 1.1 elementi...
TRANSCRIPT
Elektrotehnički fakultet Univerziteta u Beogradu Katedra za energetske pretvarače i pogone
-diplomski rad- Projektovanje konvertora i upravljačkih sklopova pogona sa
asinhronim motorom
-diploma thesis- Design of converter and control system in an asynchronous
motor drive system
Mentor Student Prof. Slobodan N. Vukosavić Nenad Mijatović
Beograd 2007
Sadržaj Uvod.................................................................................................................................... 3
1 Energetska elektronika................................................................................................ 5
1.1 Elementi energetske elektronike ......................................................................... 5 1.2 Osnovne topologije energetskih pretvarača ........................................................ 7 1.3 Energetski pretvarači u elektromotornim pogonima......................................... 11
2 Energetski pretvarač IRDAK 10............................................................................... 13
2.1 Tehnički podaci o pretvaraču IRDAK 10 ......................................................... 13 2.2 Energetska elektronika...................................................................................... 14
2.2.1 Invertor...................................................................................................... 17 2.3 Merenje struje i napona jednosmernog kola ..................................................... 21 2.4 Zaštitna kola i komponente pretvarača IRDAK 10........................................... 22 2.5 Mikrokontroler pretvarača IRDAK 10.............................................................. 23
2.5.1 Tehnički podaci o PIC16F72 .................................................................... 23 2.5.2 Opis signala PIC16F72 kao mikrokontrolera u pretvaraču IRDAK 10.... 25
3 Razvojna platforma bazirana na signalnom procesoru ............................................. 28
3.1 Izbor mikrokontrolera ...................................................................................... 28 3.1.1 Tehnički podaci o DSP TMS320F2812.................................................... 30
3.2 EzDSPF2812..................................................................................................... 33 3.2.1 Osnove o EzDSPF2812 kao razvojnoj platformi...................................... 33 3.2.2 Tehnički podaci i korišćene konekcije...................................................... 34
3.3 Code Composer Studio ..................................................................................... 39 3.3.1 Instalacija drajvera EzDSP kartice na PC................................................. 39 3.3.2 Radno okruženje Code Composer Studio ................................................. 40 3.3.3 Izvršavanje programa na EzDSP kartici ................................................... 44 3.3.4 Kratko o IQ matematici ............................................................................ 45 3.3.5 Struktura koda........................................................................................... 46
4 Interfejs pločica......................................................................................................... 49
4.1 Projektovanje digitalnih sistema i električne štampe........................................ 49 4.2 Opisi signala...................................................................................................... 51 4.3 Šema veza i izgled štampe ................................................................................ 57
5 Zaključak................................................................................................................... 61
6 Reference i korišćena literatura ................................................................................ 62
2
Uvod
U ovom radu će biti izložen jedan način unapređenja hardvera energetske
elektronike. Kao početna osnova iskorišćen je komercijalno dostupni energetski pretvarač čije su funkcije / struktura detaljno analizirane. Na ovakvoj platformi, a u skladu sa performansama pretvarača, ovaj rad predlaže osavremenjivanje regulacione strukture sa mikrokontrolerom nove generacije. Proces izbora savremenog mikrokontrolera, analiza hardvera polazne platforme, sinteza potrebnog hardvera kako radi proširenja funkcionalnosti novog sistema tako i radi neophodnih prilagođenja, predstavljaju sastavne delove ovog rada opisane i podeljene u četiri funkcionalne celine.
U prvom poglavlju rad se kratko osvrće na hronološki razvoj energetske elektronike. Nabrojani su dominantno korišćeni poluprovodnički elementi. Takođe su pomenute osnovne topologije sve četiri grupe pretvarača. Posebna pažnja je posvećena trofaznom invertorskom mostu jer je takav pretvarač sastavni deo polazne osnove (iskorišćenog pretvarača). Izložena su razmatranja i o opštoj strukturi energetskog pretvarača kojim se napaja elektromotorni pogon, pojedinim podsistemima i njihovim funkcijama.
Naredno poglavlje, pod rednim brojem dva, predstavlja tehničku specifikaciju IRDAK 10 pogona sa detaljnom analizom pojedinih podsistema. Način realizovanja zaštite, funkcionisanje samog invertora, imena i funkcije pojedinih signala, realizacija napajanja, kako energetike, tako i ostalih podsistema su delovi objašnjeni u ovom poglavlju. Neophodne informacije o načinu izvedbe i funkcionisanja polaznog hardvera radi boljeg razumevanja potrebnih koraka ka potencijalnom unapređenju regulacionog dela pretvarača i ostalih podsistema se takođe može pronaći o ovom delu rada.
Treće poglavlje nudi diskutovanje o mikrokontrolerima, njihovim dobrim i lošim aspektima sa stanovišta upotrebe u svrhe regulacije elektromotornog pogona. Kratak
3
pregled postojećih struktura će, kao što ćemo videti kasnije u radu, potvrditi da DSP predstavlja dobru platformu za implementaciju algoritama kontrole brzine i pozicije. U nastavku, detaljno se objašnjava evaluaciona kartica sa DSP od interesa, i potrebni hardverski elementi i softverski alati. Biće izložen i postupak programiranja i emuliranja DSP u programskom paketu Code Composer Studio.
Poslednje poglavlje je posvećeno izradi neophodnog hardvera radi prilagođenja odabranog mikrokontrolera postojećim šemama veza na pretvaraču koji će poslužiti kao polazna osnova. Ovim postupkom može značajno unaprediti funkcionalnost datog sistema. Biće detaljno opisani svi signali sistema pre i posle adaptacije. Takođe, napravljen je kratak osvrt na tehnike i pravila pri sintezi štampanih ploča kao što su crtanje šema u odgovarajućim softverskim paketima i rutiranje linija štampanih kola na ploči.
4
1 Energetska elektronika
1.1 Elementi energetske elektronike
Poluprovodnički elementi se pojavljuju u upotrebi već od polovine prošlog veka. Ideja o elementima koji su bilo kontrolisano ili nekontrolisano provodni, je prisutna dugo vremena. Živini ispravljači korišćeni kao AC/DC pretvarači sastojali su se od žive, sadržane u staklenim cevima u kojima je postignut određeni nivo vakuma. Takva izvedba, iako sa današnje tačke gledišta komplikovana, bila je jedini tehnološki moguć način da se napravi poluprovodnik. Pronalaskom poluprovodničkih osobina prvo germanijuma a docnije i silicijuma, poluprovodnička industrija se radikalno promenila. Posebnim tehnološkim tehnikama poluprovodničke diode su se svele na veličinu do par milimetara. Iako je progres poluprovodnika bio osetan za signalnu elektroniku, energetska elektronika je tek bila na začetku razvoja. Mali strujni kapacitet i ogromni gubici što usled komutacije, što usled vođenja, učinili su tadašnje energetske poluprovodničke prekidače praktično neupotrebljivim. U drugoj polovini prošlog veka performanse elemenata energetske elektronike su dostigle nivo koji je u industrijskoj primeni obezbeđivao dovoljno dobre rezultate.
Danas, atribut energetski poluprovodnički prekidač može poneti nekoliko
poluprovodničkih komponenata. Kao veoma bitna komponenta proteklih decenija mora se pomenuti tiristor. On je jedna od prvih komponenata koja je imala zaista veliki strujni kapacitet i time zauzeo nezamenljivo mesto, i danas, u industrijskim primenama gde su potrebne zaista velike struje. Kao jedna od glavnih osobina tiristora, pored njegovog velikog strujnog kapaciteta tj. robusnosti, se navodi njegova prirodna komutacija. To znači da pored ukidanja impulsa na gejtu, struja kroz njega se mora svesti na nulu da bi se on zaista ugasio (prestao da bude provodan). Ova osobina je, koliko god bila korisna u nekim aplikacijama, stvarala velike probleme, komplikovala topologiju pretvarača i samim tim uticala i na cenu u brojnim primenama. Kao hibrid tiristora kod koga ovaj problem ne postoji pojavljuje se GTO (Gate–Turn–Off) tiristor. Njegova primena nije uzela većeg maha u velikim elektroenergetskim projektima zbog neophodnosti da struja gejta koja uključuje ili isključuje GTO tiristor iznosi 30% njegove nominalne struje. Ako se prekidači, odnosno pretvarači projektuju za struje i do 1kA, uz njih bi morala postojati regulaciona kola koja daju i do 300A. To predstavlja značajan problem. Paralelno sa upotrebom tiristora, korišćeni su i bipolarni tranzistori ali za manje snage. Pojavom
5
MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field - Effect Transistor) tranzistora i IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tranzistora, upotreba ostalih komponenata se drastično smanjila. MOSFET tranzistori su prvobitno korišćeni u signalnoj elektronici. Nakon povećanja strujnog kapaciteta ovog prekidača počela je i primena u energetskim aplikacijama. Upotreba MOSFET tranzistora je ograničena radnim naponom prekidača. Kako je priroda MOSFET tranzistora da se ponaša kada je provodan kao otpornost koja zavisi od kvadrata napona, gubici usled vođenja ovog prekidača drastično rastu sa povećanjem maksimalnog radnog napona. Sa druge strane, IGBT tranzistori predstavljaju kombinaciju MOSFET i bipolarnog tranzistora, koji se i dalje koristi u posebnim slučajevima u energetskoj elektronici. Kao bipolarni tranzistor koji ima na bazu redno vezan MOSFET tranzistor čime se postiže izolovanost gejta, krajevi IGBT tranzistora se često i obeležavaju shodno tome: Emitor, Kolektor i Gejt. Njegova upotreba se uglavnom ograničava na više napone. Na taj način se gubici energije i neželjeni padovi napona na prelaznoj otpornosti zadržavaju u prihvatljivim granicama. Ovim bi se nabrajale osnovne komponente upravljivih poluprovodnika osposobljenih za upotrebu u energetici i njihova područja primene.
Trendovi razvoja komponenata energetske elektronike se očekivano usmeravaju ka poboljšanju performansi postojećih pretvarača i traženju novih rešenja u inženjeringu materijala. Jedan od pravaca razvoja ovog dela elektronike jeste i masovno integrisanje poznatih topologija energetske elektronike u jedan čip. Do skoro, vrednosti disipirane energije koja se generisala pri radu određenih prekidača su bile suviše visoke da bi integrisanje bilo moguće. Od kako su se performanse energetske elektronike značajno poboljšale, postoji tendencija najznačajnijih svetskih proizvođača da energetsku elektroniku, integriše. Razlozi tome su višestruki. Pojednostavljenje šema veza u samim pretvaračima, smanjivanje njihovih gabarita, brže i lakše servisiranje, ali kao jedan od najbitnijih razloga jeste svakako pojeftinjenje celokupnog pretvarača.
Jedan integrisani IGBT invertor sa svojim pratećim elementima će biti detaljno opisan i korišćen u ovom radu.
6
1.2 Osnovne topologije energetskih pretvarača
Kao što je u ranijem tekstu pomenuto, postoje četiri osnovne grupe elektroenergetskih pretvarača. To su AC/AC, AC/DC, DC/AC, DC/DC. U najpoznatije iz grupe AC/AC pretvarača svrstavaju se fazni regulatori i ciklokonvertori.
Slika br.1. 3-fazno-monofazni ciklokonvertor
Ova vrsta pretvarača od, u opštem slučaju n–to faznog sistema, naizmeničnog ulaznog napona frekvencije f1 na izlazu daje m–to fazni sistem naizmeničnog napona frekvencije f2, pri čemu mora važiti da je f1>f2 .
Prednost ciklokonvertora u poređenju sa ostalim pretvaračima koji kao izlaz imaju AC napon jeste u nepotrebnosti jednosmernog međukola. Primena ovih pretvarača ostaje ograničena na električne potrošače velikih snaga.
Verovatno kao najpoznatiji i najčešći predstavnik grupe AC/DC pretvarača mora se navesti diodni ispravljač. Diodni ispravljač je neregulisani pretvarač čiji je napon na izlazu moguće podešavati samo sa podešavanjem amplitude ulaznog naizmeničnog napona. To se najčešće radi pomoću transformatora sa promenljivim prenosnim odnosom (autotransformator, regulacioni transformator).
7
Slika br.2. 3-fazni diodni ispravljač i DC kolo
Ako se u jednoj grani ispravljača nađe po jedna dioda i jedan prekidač poput IGBT ili MOSFET tranzistora, tada diodni most postaje poluupravljivi ispravljač kojim se može regulisati napon izlaza od vrednosti bliskih nuli do napona koji bi se imao kada bi u pretvaraču bile sve diode. Regulacija je ograničena na podešavanje pozitivne vrednosti jednosmernog napona. Puno-upravljivi AC/DC pretvarač je u stanju da kao izlaz generiše i pozitivne i negativne napone, a dobija se kada se umesto dioda u granama pretvarača postave upravljivi poluprovodnički prekidači.
Slika br.3. 3-fazni polu-upravljivi ispravljač i DC kolo
8
Slika br.4. 3-fazni puno-upravljivi ispravljač i DC kolo
Pretvarači iz grupe DC/DC pretvarača, koji su se među prvima pojavili u nedisipativnoj regulaciji elektromotornih pogona zbog velike rasprostranjenosti jednosmernih motora, jesu čoperi. Dug period istraživanja i pronalaženja novih topologija rezultovao je sa velikim brojem tipova DC/DC konvertora. Mogu biti podizači napona, gde je izlazni napon veći ili jednak ulaznom, spuštači napona, gde se izlazni napon može podesiti od nule do vrednosti ulaznog napona. Postoji još dosta pretvarača ovog tipa ali u ovom radu zadržaćemo se na najosnovnijim.
Slika br.5. Čoper spuštač napona
9
Slika br.6. Čoper podizač napona
Najčešće korišćen konvertor iz grupe DC/AC pretvarača jeste trofazni naponski invertor. On predstavlja pretvarač koji od ulaznog jednosmernog napona, različitim tehnikama generisanja impulsa kao što su Space Vector ili generisanje impulsa pomoću vremenske baze, pravi povorku naponskih impulsa čija srednja vrednost predstavlja trofazni sistem napona na izlazu. Kao prekidači u ovom tipu pretvarača mogu se naći često i MOSFET i IGBT tranzistori a u posebnim primenama i tiristori. Na slici br.7. se može videti struktura ovakvog pretvarača.
Slika br.7. DC kolo i 3-fazni IGBT invertor
10
Kako se u svetu u prenosno distributivnim mrežama i električnim mašinama
dominantno koristi trofazni sistem, za napajanje regulisanih pogona sa mašinama za naizmeničnu struju neophodni su nam trofazni ispravljač i invertor. To je česta kombinacija, zbog već pomenute upotrebe trofaznog sistema za prenos električne energije, tako da se danas na tržištu mogu pronaći gotovi moduli koji u sebi sadrže i ispravljač i invertor.
Invertor se može koristiti za napajanje bilo kog motora za naizmeničnu struju. U praksi se češće sreće asinhrona, nego sinhrona mašina, napajana iz naponskog invertora i to isključivo zahvaljujući rasprostranjenosti asinhronog motora u svetskoj industriji.
Slika br.8. Diodni ispravljač i IGBT invertor
1.3 Energetski pretvarači u elektromotornim pogonima
Električni motor kao pogonska mašina u gotovo svim industrijama predstavlja, do sada, najbolje rešenje izvora kontrolisanog mehaničkog rada. U poređenju sa svojim pneumatskim ili hidrauličnim konkurentima, električni motori su daleko jednostavniji za upravljanje a i izvori električne energije su daleko dostupniji. Već smo pomenuli neke osnovne topologije energetskih pretvarača kojima se regulišu kako naizmenični tako i jednosmerni motori u elektromotornim pogonima.
11
Invertor kao najčešće korišćeni pretvarač za napajanje asinhronih motora jeste i
sastavni deo IRDAK10, pretvarača korišćenog u ovom radu.
Sastavni delovi svakog invertorskog pretvarača najčešće jesu ispravljač, jednosmerno kolo i invertor. Kao nezaobilazni delovi svakog invertora moraju se navesti različite zaštite. Nabrojmo zaštite koje su najčešće javljaju u praksi: u slučaju kratkog spoja, zemljospoja, previsokog i preniskog napona, previsoke i preniske temperature, otkaza nekih sistema, preopterećenja, velike brzine, neregularnog rada pogona, detekcije uslova definisanih od strane korisnika, itd. Jedan od često potrebnih podsistema elektromotornog pretvarača ukoliko se radi o pozicionom ili brzinskom servo-pogonu, je i podsistem za derivaciju informacije o brzini što uslovljava i senzor brzine na vratilu motora. Kao senzori se najčešće koriste rezolveri i inkrementalni enkoderi kao savremena rešenja. U starijim elektromotornim pogonima se mogu zateći i tahogeneratori i apsulutni enkoderi.
Sami prekidači snage čine samo jedan deo celokupnog sistema koji se naziva energetski pretvarač. Diskretnim poluprovodničkim energetskim prekidačima snage (MOSFET i IGBT) potrebna su dodatna kola koja će generisati adekvatne impulse na gejtovima prekidača. Takva kola se često zovu upaljači ili drajveri. Uloga upaljača se ogleda u sposobnosti da se u svakom trenutku između gejta i emitera (kod IGBT) primeni napon koji garantuje bilo paljenje bilo gašenje komponente i da ne dozvoli preklapanje vođenja prekidača u istoj grani (to je kratak spoj DC kola) tj. da unesu takozvano mrtvo vreme.
Generisanje referenci, pravljenje potrebnih PWM (Pulse-Width-Modulation) impulsa, obavljanje potrebnih logičkih operacija, ranije su vršila namenski projektovana analogna elektronska kola. Sada se kao regulacioni sistem energetskog pretvarača dominantno koriste digitalni mikrokontroleri. Ovo dosta pojednostavljuje naknadno dodavanje potrebnih logičkih funkcija jer se ceo rad pretvarača bazira na izvršavanju programskog koda u mikrokontroleru tako da adekvatnom prepravkom koda možemo dobiti potpuno nove funkcije ovog podsistema. Od zahteva pogona najviše će zavisiti izbor mikrokontrolera koji ćemo upotrebiti.
12
2 Energetski pretvarač IRDAK 10
IRDAK 10 predstavlja pretvarač za napajanje asinhronog motora malih snaga. Kao proizvod renomirane svetske firme International Rectifier koji je razvijen u saradnji sa katedrom za Mikroprocesorsko upravljanje pogona Elektrotehničkog fakulteta u Beogradu, proizvod predstavlja pretvarač niske cene primenljiv na širok spektar proizvoda široke potrošnje kao što su veš mašine, frižideri, ventilatori, pumpe...
2.1 Tehnički podaci o pretvaraču IRDAK 10
Pretvarač IRDAK 10 se nalazi na jednoj ploči. Ima kao ulaz monofazni priključak
predviđen kako za standardne vrednosti monofaznih napona na Evropskom kontinentu, 230V, 50Hz, tako i za Američki standard od 115V, 60Hz. U skladu sa kakvim se sistemom napona napaja pretvarač potrebno je podesiti i selektor S3. Na ploči se nalazi i onboard prekidač kojim je u svakom trenutku moguće isključiti celokupno napajanje pretvarača. Za maksimalnu izlaznu snagu, pretvarač IRDAK 10 ima 750W dok je nominalna snaga 400W. Kao invertor pretvarača, IRDAK 10 koristi energetski modul IRAMS koji predstavlja 3-fazni integrisani IGBT invertorski most sa maksimalnim naponom DC kola od 450V i strujnim kapacitetom od 10A. Maksimalna prekidačka učestanost ovog kola iznosi 20kHz što zadovoljava stroge standarde strujnog ripla.[5]
Od ostalih podsistema, o kojima će biti reči kasnije, tu se naravno nalaze regulacioni sistem sa PIC16F87x kao pogonskim mikrokontrolerom i kolo zaštite realizovano pomoću komparatora. IRDAK 10 može komunicirati sa PC računarom ili nekim nadređenim hardverom pomoću galvanski izolovane RS232 serijske veze. Na ploči, kao što se može i primetiti na slici br.9, postoji i konektor na kome su izvedeni signali za uključenje prekidača invertora. Ovo je dosta zgodno mesto za posmatranje signala PWM impulsa radi analize rada pogona.
13
Slika br.9. Blok šema IRDAK 10 ploče
2.2 Energetska elektronika
Napajanje ploče se vrši preko monofaznog ulaza na koji je se dovodi 220V, 50Hz. Odmah nakon konektora postoji onboard prekidač (sa oznakom na šemi S2) kojim se napajanje može ukinuti. Zaštitu u ovom kolu predstavlja osigurač (sa oznakom na šemi F1) od 4A, kao i dva NTC (Negative Temperature Coefficient) otpornika (sa oznakama na šemi R45 i R55) od po 1Ω, 16A za ograničavanje inrush struje praznih kondenzatora jednosmernog međukola.
Princip ograničavanja struje punjenja kondenzatora pomoću NTC otpornika jeste
zgodan i jednostavan ali ima nedostatak. Kada se na diodni ispravljač dovede napajanje, i sa obzirom da prazni kondenzatori u DC kolu predstavljaju kratak spoj, struja koja bi tada protekla zasigurno bi oštetila najpre diodni ispravljač. U tom trenutku NTC otpori ograničavaju tu struju. Kada struja teče kroz NTC otpornik opšte je poznato da će se generisati Džulovi gubici srazmerni kvadratu te struje. Ako stavimo NTC otpornik, redna vrednost otpora u hladnom stanju će biti velika (što ograničava struju) dok se kondenzator u DC kolu napuni određenom količinom elektrostatičke energije. Kada vrednost napona kondenzatora dostigne određenu vrednost a NTC otpor zagreje, njegova otpornost se smanjuje, dozvoljavajući struji da ostane u granicama prihvatljivih vrednosti.
14
Loša strana ovakve zaštite jeste da ona ne funkcioniše kada su NTC otpornici zagrejani, tj. ako je pogon pre toga radio. Potrebno je sačekati da se NTC otpornici ohlade.
Kao zaštita od prenaponskih talasa od strane mreže (bilo sklopnih, bilo
atmosferskih prenapona) postavljen je varistor ili VDR (Voltage Dependent Resister) za 275V (sa oznakom na šemi RV1) [5]. Nelinearna zavisnost otpornosti od napona ovog otpornika obezbeđuje da pri normalnim radnim naponima struja kroz njega bude zanemarljiva (reda par desetina miliampera), dok u slučaju visokih vrednosti napona on predstavlja kratak spoj. Na taj način prenaponi ne prodiru u pretvarač već usled visoke vrednosti napona a veoma male otpornosti pomenuti osigurač pregoreva.
Pošto je prvobitno ovaj pretvarač namenjen za primenu u proizvodima široke
potrošnje, standardi o prodoru harmonika visokih učestanosti moraju biti strogi. Nakon paralelno vezanog varistora nailazimo na EMI filter (sa oznakom na šemi EM1), koji je postavljen da ograniči prodor visokih harmonika struje u mrežu [5]. Ovaj filter je realizovan pomoću dve spregnute induktivnosti od po 2mH, 3A čime se reaktanse za visoke učestanosti drastično povećava (lowpass filter).
Slika br.10. Šema IRDAK 10 ploče - ispravljač
Diodni ispravljač (sa oznakom na šemi D17) sa maksimalnom strujom od 5A daje DC napon od 300V koji se nakon toga filtrira kondenzatorima u jednosmernom kolu [5]. U DC kolu postoje dva kondenzatora (sa oznakama na šemi C37 i C42) od 470μF za 200V. Paralelno kondenzatorima u DC kolu, koji moraju biti elektrolitski radi skladištenja energije, vezani su otpornici velike otpornosti (sa oznakama na šemi R51 i
15
R53) od 82kΩ [5]. Struja curenja kondenzatora koja teče kroz ove otpore je oko 1mA pri regularnom radu pogona što ne predstavlja nikakvu smetnju. Kada se pogon iz bilo kog razloga isključi, kondenzatori ostaju na naponu DC međukola (reda 300V). Struja curenja kondenzatora, koju obezbeđuju pomenuti otpori, će ih isprazniti jer će se akumulisana energija iz kondenzatora disipirati na Džulove gubitke u ovim otporima. Ovaj proces traje neko vreme jer je struja curenja relativno mala. Na taj način se obezbeđuje da napon kondenzatora DC kola ne bude na vrednostima koje mogu ugroziti čovekov život, ako je pogon isključen.
DC napon jednosmernog kola služi kao izvor za napajanje svih ostalih potrebnih sistema. To su pored osnovnog i najočiglednijeg invertora i mikrokontroler i analogna kola zaštite. Naponi potrebni za napajanje pomoćnih sistema su +5V i +15V. Ove napone obezbeđuje spuštač napona (osnovna topologija spuštača je prikazana u ranijem tekstu na slici br.5.) koji kao ulaz ima napon DC međukola a kao izlaz neregulisani jednosmerni napon koji posle linearnih stabilizatora uzimaju fiksnu vrednost od +15V i +5V. Kolo koje reguliše rad čopera spuštača napona, UC3842D, predstavlja PWM regulator u strujnom modu sa jednim izlazom, prekidačke učestanosti od 50kHz. Naponi napajanja od +15V i +5V su prisutni u opsegu napona DC međukola od 60V do 400V, jer je pomenuto kolo u stanju da reguliše izlazne napone u tom opsegu ulaznog napona.
Slika br.11. Šema IRDAK 10 ploče – niskonaponsko napajanje
16
2.2.1 Invertor
Već smo pomenuli osnovne topologije i osobine invertora namenjene za pokretanje asinhronih motora u pogonima gde se želi imati promenljiva brzina i kontrola momenta na vratilu motora.
Kako su ovakvi invertori sačinjeni od diskretnih komponenti gabaritno značajno
veći, u IRDAK 10 je ugrađen integrisani invertor IRAMS10UP. Proizveden od strane International Rectifier, IRAMS10UP je AIPM (Application Specific Intelligent Power Module) energetski modul koji je namenski napravljen za primenu u kontrolisanim pogonima široke primene. Upotrebom IRAMS modula pretvarač IRDAK 10 je dobio na kompaktnosti i mobilnosti. Izgled unutrašnje arhitekture IRAMS modula je prikazana na slici.br.12.
Električna specifikacija modula data je u Tabeli br.1 [6]. Iz vrednosti izloženih u ovoj tabeli može se zaključiti da je strujni kapacitet IRAMS modula daleko veći (i do 100%) ako se njegova temperatura održava na nižim vrednostima. To je jedan od ključnih razloga zašto se hlađenju ovog modula mora posvetiti značajna pažnja. Hlađenje je realizovano sa aluminijumskim hladnjakom na koji je IRAMS modul mehanički pričvršćen zavrtnjima. Da bi toplota imala što manji otpor pri prelasku sa modula na hladnjak, na ovaj kontakt je stavljena posebna pasta koja predstavlja odličan provodnik toplote. Radi robusnosti pogona hlađenje nije realizovano sa forsiranim strujanjem vazduha.
17
Slika br.12. Šema interne strukture IRAMS modula
18
Tabela br.1. Električna specifikacija IRAMS energetskog modula [6] Naziv veličine Brojna vrednost Jedinica
Maksimalni napon DC međukola 450 V Maksimalni napon blokiranja IGBT tranzistora 600 V
Maksimalna struja (efektivna vrednost) T = 100 °C 4.5 A Maksimalna struja (efektivna vrednost) T = 25 °C 10 A
Maksimalni strujni impuls (t<100μsec) 15 A Maksimalna prekidačka učestanost 20 kHz
Naponska izdržljivost (efektivna vrednost napona) 2000 V
Kao što se da videti sa slike br.12., potrebni IGBT drajveri koji obezbeđuju neophodno kašnjenje i logiku za obezbeđivanje nepoklapanja perioda vođenja su sastavni deo IRAMS modula. Pinovi predviđeni za dovođenje referenci PWM impulsa, imenom HI1, HI2, HI3, LO1, LO2, LO3, očekuju impulse u naponskim granicama od 0V do +5V [6]. Sigurni odzivi logičke jedinice (prekidač otvoren) i logičke nule (prekidač zatvoren) se imaju za napone veće od 3V i manje 0.8V [6].
Slika br.13. Šema interne strukture IRAMS modula – monitoring temperature
IRAMS ima ugrađen i monitoring temperature modula. Ova funkcija je realizovana pomoću ugrađenog NTC otpornika. Zavisnost otpornika od temperature je negativna, tako da je napon na pinu modula ITRIP u direktnoj srazmeri sa temperaturom
19
modula [6]. Za temperaturni opseg od 0°C do 100°C, napon signala AN2 (detaljno objašnjenje signala mikrokontrolera je dato u Tabeli br.2) koji se vodi na AD konvertor mikrokontrolera, je u opsegu od 1.25V do 1.76V. Iz rečenog se može zaključiti da ako temperatura modula želi da se ograniči na npr. 85°C, mikrokontroler bi trebao da obustavi generisanje PWM impulsa i zaustavi rad pretvarača kada se signal AN2 nađe na naponskom nivou od 1.705V. Bitno je napomenuti da u slučaju da temperatura dostigne maksimalnih dozvoljenih 125 °C, modul sam ukida izlaze i na taj način sprečava svoje termičko uništenje [6].
Šema veza IRAMS modula i potrebne prateće komponente se mogu videti na slici br.14. Kako IRAMS ima mogućnost da se invertorske grane mogu ali i ne moraju vezati paralelno samim time prilagodljivost ovog modula postaje još veća. Naime, ako pinove 12, 13 i 14 povežemo na odgovarajući način ovaj energetski modul može služiti i kao monofazni invertor ili četvorokvadratni čoper koji pokreće jednosmerni motor itd.
Slika br.14. Šema veze IRAMS modula
20
2.3 Merenje struje i napona jednosmernog kola
Kao senzor struje upotrebljen je šant otpornik otpornosti 0.68Ω, 3W. Bitno je napomenuti da je merenje tako realizovano da se ima negativna promene napona sa povećanjem struje jednosmernog kola. Ovo može da napravi velike probleme ako strujna zaštita nije dobro podešena jer u slučaju prevelike struje mikrokontroler je izložen negativnom naponu. Kako se ovakva IC kola ne prave tako da mogu da podnesu negativne napone potrebno je ili prekostrujnu zaštitu podesiti adekvatno, sprečavajući struje DC kola koje prouzrokuju negativni napon na signalu sa šanta ili ograničiti sam taj napon dopuštajući struji i veće vrednosti. Zavisnost struje jednosmernog međukola i napona šanta je data tabelarno u Tabela.br.2. Tabela br.2. Zavisnost napona šanta od struje jednosmernog kola
Struja kroz šant [A] Napon šanta [V] 1 2.5 2 1.93 3 1.36
Slika br.15. Šema IRDAK 10 ploče – merenje struje i napona jednosmernog kola
21
Informacija o naponu jednosmernog međukola se pribavlja razdelnikom napona koji napon DC kola spušta na nivo predviđen za rad mikrokontrolera. Pošto se signal AN1 vodi na analogno digitalni konvertor mikrokontrolera (o svim signalima mikrokontrolera će biti docnije reči), treba samo pomenuti da signalu AN1 na nivou od 3V odgovara napon DC kola od 385V.
2.4 Zaštitna kola i komponente pretvarača IRDAK 10
Postojanje dobrih zaštitnih kola u pretvaračima je od krucijalnog značaja. Jedna od najvažnijih je svakako prekostrujna zaštita. Kako je za prekostrujnu zaštitu imperativ da bude veoma brza, ona je u ovom pretvaraču izvedena pomoću analognih kola koja obezbeđuju kašnjenje manje od 10μsec. U slučaju praćenja vrednosti DC napona jednosmernog kola, mikrokontroler preko već pomenutog razdelnika napona dobija naponski signal srazmeran DC naponu, konvertuje ga i proverava da li je on u skladu sa određenim minimalnim i maksimalnim vrednostima i na osnovu toga donosi odluku o nastavku rada ili isključenju pretvarača. Ova zaštita je realizovana softverski jer velika vremenska konstanta koju unose kondenzatori jednosmernog međukola dozvoljava ovakav način zaštite.
Slika br.16. Šema IRDAK 10 ploče – zaštitno kolo
Drugim rečima, brzina naponske zaštite isključivo zavisi od vremena izvršavanja upravljačkog koda. Rad upravljačkog softvera se bazira na ponavljanju ciklusa konverzije
22
analognih ulaza u digitalni oblik i njihovom upotrebom u različitim algoritmima radi izračunavanju potrebnih referenci kao što su PWM signali. Učestanost ponavljanja ovih ciklusa je najčešće (skoro bez izuzetka) ista kao i prekidačka učestanost samog energetskog pretvarača. Vreme između dva ciklusa (interapta) upravljačkog softvera jeste vremenski period u kome je pogon ne zaštićen od strane naponske zaštite. Kako je već rečeno ovo vreme je dovoljno malo, pa se naponska zaštita može realizovati na ovaj način.
IRDAK 10 ima prekostrujno zaštitno kolo realizovano pomoću komparatora,
LM339. Ovo kolo se sastoji od 4 komparatora koji su tako povezani da se kolo ponaša kao flipflop, moguće ga je setovati i resetovati, a takođe ima veoma bitnu sposobnost da zapamti kvar sve dok se ne resetuje. Postoji mogućnost potpunog gašenja pretvarača signalom ENABLE. U slučaju da je signal ENABLE, koji je regulisan od strane mikrokontrolera, postavljen nisko (ima logičku nulu), izlaz kola zaštite, što predstavlja signal SHORT_CIRCUIT je visok (logička jedinica) tako da pogon ne radi (zaštita prijavljuje kvar). Ulazna kola komparatora su podešena tako da trenutna vrednost struje DC kola od 8.55A prouzrokuje reagovanje zaštite. Ovo je dovoljno velika vrednost tako da zaštita neće reagovati na strujni ripl, a ipak štiti energetski modul koji je u stanju da izdrži i do 10 ampera.
2.5 Mikrokontroler pretvarača IRDAK 10
2.5.1 Tehnički podaci o PIC16F72
Kao mikrokontroler IRDAK 10 pretvarača korišćen je PIC16F72. Neke od osnovnih karakteristika ovog mikrokontrolera su :
- ima u sebi 8 bitni RISC CPU visokih performansi - učestanost rada 20MHz - vreme izvršavanja jedne instrukcije od 200 nsec - 2000x14 reči programske memorije - 128x8 bajtova memorije namenjene podacima (RAM) - hijararhija prekida - STEK kapaciteta 8 reči
23
- direktno, indirektno i relativno adresiranje - watchdog tajmer - programabilna zaštita koda - dva 8 bitna tajmera i jedan 16 tajmer - PWM izlaze - Capture and Compare - 5 ADC kanala - SPI - I2C
Interna struktura ovog mikrokontrolera je prikazana na slici br.17.
Slika br.17. Interna struktura PIC16F72
24
Što se tiče električnih karakteristika, preporučeni radni napon PIC16F72 jeste 5V
iako se smeju primeniti i naponski nivoi do 7.5V. Strujne potrebe pri napajanju se kreću u granicama od 250mA do 300mA. Pinovi, isključujući pinove na koje se dovode masa i napajanje, pri radu mogu zahtevati maksimalno po 20mA. Ove informacije predstavljaju polaznu osnovu u kalkulaciji energetske potrošnje novo izabranog mikrokontrolera.
2.5.2 Opis signala PIC16F72 kao mikrokontrolera u pretvaraču IRDAK 10 Naziv signala i opisi njihovih funkcija se nalaze u Tabeli br.3. Tabela br.3. Signali PIC16F72 Broj pina
Naziv pina
Opis Funkcije
1 MCLR RESET pin mikrokontrolera. Ovaj pin treba da bude vezan na +5V preko pull-up otpornika od 1KΩ.
2 AN0
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi napon sa šant otpornika R58, odnosno signal struje DC međukola. AN0=2.5V za Idc=0A, AN0=1.93V za Idc=1A i AN0=1.36V za Idc=2A. Pošto je analogna referenca 3V (pin ADREF ) rezultat A/D konverzije je 0 za 0V i 1023 za 3V. Rezolucija je desetobitna.
3 AN1
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi naponski signal srazmeran naponu DC kola Udc. Za Udc=385V se dobija AN1=3V. Za Udc=385V mora doći do isključivanja pogona zbog prenapona a za Udc<180V, pogon se isključuje zbog preniskog napona.
4 AN2
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi signal temperature IRAMS modula. Za temperature od 0 do 100°C, napon na AN2 pinu je od 1.25V do 1.76V a rezultat A/D konverzije je u granicama od 106 do 151. Ako se želi ograničenje maksimalno dozvoljene temperature na 85°C, potrebno je isključiti IRAMS modul kad se na pinu AN2 pojavi napon od (145/255)*3V. Napomena: Ovaj signal je validan samo kada je pogon uključen
25
(ENABLE=1). Kada je pogon isključen (ENABLE=0), tada je AN2=5V pa tada ovaj signal u softveru treba ignorisati.
5 AN3/
ADREF Analogni ulaz. Ovaj ulaz je softverski konfigurisan tako da se sa njega očitava analogna referenca za A/D konvertor.
6 RA4 Digitalni izlaz sa otvorenim drejnom. Ovaj pin je konfigurisan kao izlazni, upisom u odgovarajući TRISA registar. Kada je na ovom pinu logička nula, svetli dioda LED1.
7 AN4
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi analogna referenca za brzinu ili za nešto drugo. U zavisnosti od džampera G1 i G2 na AN2 pin se dovodi signal ili sa klizača potenciometra R25 ili sa pina 11 konektora J3.
8 GND Masa uređaja.
9,10 OSC1 OSC2
Priključci kristalnog oscilatora (kvarc).
11 RC0 Digitalni izlaz. Ovaj pin je konfigurisan kao izlazni upisom u TRISC registar. Na ovaj pin je vezana dioda LED2.
12 RC1 Digitalni izlaz. Ovaj pin je konfigurisan kao izlazni upisom u TRISC registar. Na ovaj pin je vezana dioda LED3.
13 RC2 Digitalni ulaz (SP1 – Spare input). Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar. Ovaj pin očitava stanje na pinu 9 konektora J3.
14 RC3 Digitalni ulaz (SP2 – Spare input). Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar. Ovaj pin očitava stanje na pinu 8 konektora J3.
15 RC4
Digitalni ulaz. Signal SHORT_CIRCUIT. Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar. Ovaj signal je validan isključivo kada je IRAMS modul uključen, tj. kada je signal ENABLE (pin RB1) na logičkoj jedinici. Ako je ENABLE aktivan SHORT_CIRCUIT treba da bude na logičkoj nuli. Ovaj signal se očitava u svakom interaptu i ako se pri ENABLE=1 desi da je i SHORT_CIRCUIT=1 znači da je došlo do kratkog spoja koji je zapamćen od strane flip-flopa koji je formiran kolom LM339. Tada je potrebno 10 do 15 puta resetovati stanje SHORT_CIRCUIT slanjem kratkog impulsa na RESETSC pin.
16 RC5
Digitalni izlaz. Signal RESETSC. Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar i on se nalazi u stanju visoke impedanse. U bit 5 (RC5) registra PORTC treba upisati jedinicu. U trenutku kada RC5 bude konfigurisan kao izlazni,
26
pojaviće se baferovana jedinica (+5V) na pinu. Upotreba: Kada se detektuje kratak spoj, SHORT_CIRCUIT, koji je 'memorisan' u flip-flopu koji se sastoji od LM339 sa pozitivnom povratnom spregom, se resetuje tako sto se na 1-2 uS (5-10 ciklusa) pin RC5 drži konfigurisan kao izlazni, a odmah zatim se vrati nazad da bude konfigurisan kao ulazni. (Razlozi za ovo se mogu naći u šemi).
17 RC6 TxD, Transmit pin serijske veze. Ovaj pin je softverski konfigurisan kao TRANSMIT pin.
18 RC7 RxD, Receive pin serijske veze. Ovaj pin je softverski konfigurisan kao RECEIVE pin.
19 GND Masa uređaja.
20 VCC Napajanje procesora +5V
21 RB0 Digitalni ulaz RB0. Ovaj pin je konfigurisan kao ulaz preko TRISB registra. Na ovaj pin se dovodi signal sa tastera S1
22 RB1 Digitalni izlaz RB1, ENABLE pin. Ako je na ovom logička nula (0V) IRAMS modul je isključen. Ako je na ovom pinu logička jedinica (+5V) IRAMS modul je uključen.
23 24 25 26 27 28
RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7
Digitalni izlazi. PWM pinovi. Nakon reseta ovi pinovi treba da budu konfigurisani kao ulazni tj. da se nalaze u stanju visoke impedanse. Svaki od ovih 6 signala uključuje/isključuje po jedan od 6 IGBT tranzistora IRAMS modula. Visok nivo (+5V) drži IGBT isključenim, nizak nivo (0V) uključuje IGBT. Interni pull-up otpornici procesora i samog IRAMS modula drže po resetu sve izlaze na logičkoj jedinici, pa su IGBT tranzistori isključeni. Pri inicijalizaciji, najpre upisati u bitove PB2 do PB7 logičke jedinice. Potom, preko TRISB, konfigurisati ove pinove kao izlazne. U toku rada, recimo da je RB7 = 0 (#A_HI = 0, dakle A_HI tranzistor je uključen) a RB4=1 (#A_LO = 1, dakle A_LO tranzistor je isključen). Želi se promeniti stanje, tako da se A gornji isključi a A donji uključi. Tada najpre treba uspostaviti RB7=1, potom držati ovo stanje 3uS (mrtvo vreme, lockout time), a tek onda zapisati RB4=0.
27
3 Razvojna platforma bazirana na signalnom procesoru
3.1 Izbor mikrokontrolera
U oblasti upravljanja elektromotornim pogonima postoji par različitih platformi mikrokontrolera koji se u zavisnosti od potrebe i namene pretvarača mogu bolje ili lošije primeniti kao pogonski mikrokontroleri. Jedan od starijih rešenja predstavlja mikrokontroler Fon Nojmanove arhitekture koji se ne može pohvaliti izvanrednom brzinom procesiranja matematičkih operacija. Njegove vrline leže u većoj fleksibilnosti samog procesora, većem broju registara opšte namene, mogućnošću smeštanja instrukcija i podataka u velikom adresnom prostoru. Mnoštvo različitih načina adresiranja čini mikrokontroler idealnim za obavljanje kompleksnih komunikacionih funkcija i algoritama sekundarne regulacije (adaptacija i optimizacija) [1]. Popularni predstavnik ove arhitekture je proteklih decenija bio 80C196MC, Intel-ov mikrokontroler.
Kao potpuno prilagođeno rešenje potrebama sistema može se navesti ASIC (Application Specific Integrated Circuit) platforma. Usluga projektovanja potpuno namenski prilagođenog mikrokontrolera, koliko god donosila prednosti u operativnom radu, u mnogim slučajevima košta suviše da bi zadovoljila cost-benefits analizu.
Još jedna platforma koju je korisno navesti jeste FPGA (Field Programmable Gate Array) kola. Ova kola predstavljaju proizvod između GPP (General Purpose Processors) i ASIC. Za razliku od ASIC ova platforma sadrži programabilni blok u kome se mogu definisati različite logičke i/ili (jednostavne) matematičke operacije. Trend upotrebe ovog tipa kola kao ispomoć glavnom mikrokontroleru, koja se ogleda u vršenju analogno digitalne konverzije i nekom jednostavnijom pripremom / predobradom signala, je uveliko zastupljen.
Kao procesor koji je po svojoj osnovi GPP ali namenski prilagođen veoma brzoj obradi signala koja se ogleda u jednotaktnom množenju i akumulisanju niza digitalnih vrednosti, na šta se uglavnom i svode operacije sa digitalnim signalima, DSP (Digital Signal Processors) zauzima veoma značajno mesto u kontroli elektromotornih pogona. Složena struktura današnjih DSP omogućava ovim mikrokontrolerima da izvršavaju nekoliko radnji istovremeno. Kao neophodni korak za implementaciju naprednijih
28
algoritama upravljanja, DSP je idealno oruđe za rad sa matricama, izračunavanje trigonometrijskih funkcija, za analizu spektra, itd. Presek stanja tržišta DSP pokazuje da je trenutni vrh ponude DSP bilo da se radi o 32 ili 64 bitnim procesorima sa unutrašnjim taktom koji ide i do 150 MHz. Postoje dva različita pristupa realizaciji jezgra signalnih procesora. Fixed point pristup podrazumeva sposobnost obavljanja operacija sa celim brojevima. Floating point pristup podrazumeva ugrađenu sposobnost procesorskog jezgra za obavljanje operacija sa brojevima sa pokretnim zarezom, gde se odvojeno obrađuju mantise i eksponenti.
Kako je složenost signalnih procesora (slika br.18.) obezbedila brz i elegantan način izvršavanja matematičkih operacija, tako je i donela nekoliko osobina ovom tipu procesora koje se mogu smatrati njegovim manama. Ograničena fleksibilnost i programabilnost, mali broj registara opšte namene koji usporava i otežava programiranje u programskom jeziku C, adresni prostor je ograničen a i mali broj raspoloživih načina adresiranja otežava upotrebu viših programskih jezika [1]. Instrukcijski set je specijalizovan te je sličnost sa instrukcijama konvencionalnih procesora mala. Sve nabrojano otežava implementaciju sekundarne regulacije elektromotornih pogona i osnovnih verzija operativnih sistema na signalnim procesorima.
Većina pogona niske cene namenjene proizvodnji u milionskim serijama ne zahtevaju sekundarne regulacije, tako da dva osnovna uslova koje treba da ispuni mikrokontroler koji upravlja takvim pogonom jeste da ima dovoljnu procesorsku moć i da je odgovarajuće cene. Kako smo već pohvalili signalne procesore i njihovu izvanrednu sposobnost procesiranja signala, možemo smatrati da je jedan od uslova ispunjen. Kada je reč o isplativosti, današnje cene DSP visokih performansi se kreću od 15 US dolara pa naniže. Kada se uzme u obzir velika količina kao i dugogodišnja proizvodnja, cena samog procesora se može smanjiti i na četvrtinu cene pojedinačnog procesora. Time, u zavisnosti od specifičnosti svake proizvodnje, generalno govoreći isplativost signalnih procesora svakako konkuriše ostalim mikrokontorlerima.
Kada se izbor načini, a on predstavlja signalni procesor potrebno je još u skladu sa zahtevima načiniti još jedan izbor, fixed ili floating point procesor. Ova dilema je u poslednje vreme razrešena u korist fixed point procesora, jer prema istraživanju Instituta za energetiku elektroniku i električne pogone pri Univerzitetu u Paderbonu pokazuju da napredni generatori asemblerskog koda obezbeđuju primenu algoritama upravljanja na fixed point procesorima sa rezultatima koji su vidno povoljniji od istih kod floating point procesora [1].
29
3.1.1 Tehnički podaci o DSP TMS320F2812
Razlozi izbora DSP kao mikrokontrolera su iz predhodno rečenog jasni. Kada se planira proizvodnja proizvoda za domaćinstvo, potrebno je predvideti i neke od budućih potreba sistema i shodno tome voditi računa pri odabiru mikrokontrolera. U slučaju potrebe za novim komunikacijama ili nekom novom funkcijom proizvoda u procesu razvoja, izabrani mikrokontroler bi trebao da zadovoljava zahteve koji se mogu naći ispred njega i u budućem vremenu. To i jeste razlog zašto se u ovom radu koristi DSP koji je u vrhu signalnih procesora po performansama.
Jedan od najvećih proizvođača DSP je firma Texas Instruments. Ovaj proizvođač nudi nekoliko osnovnih grupa DSP u zavisnosti od namene. Neke od osnovnih grupa su C2000, C5000 i C6000. U zavisnosti u kom segmentu tehnike DSP namerava da se koristi i njegova struktura periferija će se dosta razlikovati. Ako se koristi u telekomunikacijama moraju se imati podržani razni sistemi obrade podataka, mala potrošnja, dok su periferije kao ADC i PWM nepotrebne stoga i nepostojeće. Sa druge strane, serija C2000 koja je inače i namenjena pokrivanju tržišta mikrokontrolera namenjenih za upravljanje elektromotornim pogonima, ne samo da ima ADC i PWM periferije već veliki broj dodatnih periferalnih podsistema koji čine implementaciju DSP u namenama upravljanja elektromotornog pogona brzom i efikasnom. Digitalni signalni procesor koji smo izabrali kao mikrokontroler kome će se posvetiti pažnja u delu ovog rada i sa kojim će se raditi jeste TMS320F2812. On kao 32 bitni DSP sa maksimumom od 150 MIPS predstavlja vrh ponude ovog renomiranog proizvođača u ovom trenutku.
Navedimo osnovne informacije o ovom procesoru:
30
Tabela br.4. Osnovne karakteristike digitalnog signalnog procesora F2812 [3] - High-Performance Static CMOS Technology
-150 MHz (6.67-ns Cycle Time) - Low-Power (1.8-V Core, 135 MHz, 1.9V Core @150 MHz, 3.3-V I/O) Design
-JTAG Boundary Scan Support - High-Performance 32-Bit CPU
− 16 x 16 and 32 x 32 MAC Operations − 16 x 16 Dual MAC − Harvard Bus Architecture − Atomic Operations − Fast Interrupt Response and Processing − Unified Memory Programming Model − 4M Linear Program/Data Address
Reach − Code-Efficient (in C/C++ and Assembly) − TMS320F24x/LF240x Processor Source Code Compatible
- On-Chip Memory − Flash Devices: Up to 128K x 16 Flash (Four 8K x 16 and Six 16K x 16 Sectors) − ROM Devices: Up to 128K x 16 ROM − 1K x 16 OTP ROM − L0 and L1: 2 Blocks of 4K x 16 Each
− Single-Access RAM (SARAM) − H0: 1 Block of 8K x 16 SARAM − M0 and M1: 2 Blocks of 1K x 16 Each SARAM
- Boot ROM (4K x 16) − With Software Boot Modes − Standard Math Tables
- External Interface (2812) − Up to 1M Total Memory − Programmable Wait States
- Timing
− Three Individual Chip Selects − Clock and System Control
− Dynamic PLL Ratio Changes Supported − On-Chip Oscillator − Watchdog Timer Module
- Three External Interrupts - Peripheral Interrupt Expansion (PIE) Block That Supports 45 Peripheral Interrupts - Three 32-Bit CPU-Timers - 128-Bit Security Key/Lock - Protects Flash/ROM/OTP and L0/L1 SARAM - Motor Control Peripherals
− Two Event Managers (EVA, EVB) − Compatible to 240xA Devices − Capture / Compare
- Serial Port Peripherals − Serial Peripheral Interface (SPI) − Two Serial Communications Interfaces (SCIs), Standard UART − Enhanced Controller Area Network (eCAN) − Multichannel Buffered Serial Port
(McBSP) - 12-Bit ADC, 16 Channels
− 2 x 8 Channel Input Multiplexer − Two Sample-and-Hold − Single/Simultaneous Conversions − Fast Conversion Rate: 80 ns/12.5 MSPS
- Up to 56 General Purpose I/O (GPIO) Pins
C2000 predstavlja seriju fixed point digitalnih signalnih procesora firme Texas Instruments, koji su namenjeni aplikacijama digitalne kontrole elektromotornih pogona. Procesor F2812 je jedan od predstavnika te serije. Pored toga što ima najbrži takt, čime postiže i do 150MIPS, ovaj procesor ima 12 PWM izlaza i sposoban je da generiše istovremeno PWM impulse za 2 trofazna invertora, odnosno da kontroliše i do dva trofazna motora. Analogno digitalni konvertor ima 16 kanala i vrši 12-bitnu konverziju ulazne analogne veličine. Kako bi se iskoristila mogućnost kontrole dva motora, i
31
analogno digitalni konvertor se može koristiti kao dva 8 kanalna konvertora ili kao jedan 16 kanalni. Brzina konverzije u svom najbržem modu iznosi 80 nsec, što daje mogućnost za prekidačkom učestanošću daleko iznad 20 kHz, i time dinamiku kontrole i kvalitet izlaznih napona i struja postavlja na zavidan nivo.
Slika br.18. Interna struktura F281X procesora
Treba pomenuti da pri velikim prekidačkim učestanostima, što nam ovakav signalni procesor i dozvoljava, preciznost analogno digitalnog konvertora je veoma
32
ugrožena šumom. Posebnu pažnju je potrebno posvetiti ovom problemu jer on u mnogome utiče na sveobuhvatnu efikasnost i performanse algoritama kontrole. Linije signala (ovo posebno važi za signale do ADC pinova DSP) treba da budu kratke. Linije ADC nikako ne treba voditi blizu brzo promenljivih signala. Preporučljivo je linije napajanja (+3V i +1.8V i GND) voditi paralelno kao i digitalnu i analognu masu spojiti samo na jednom mestu. Sve ovo i još mnogo toga je ključno u postizanju optimalne sredine u kojoj je postojeći šum sveden na minimum. Čak kada je navedeno zadovoljeno rezultati analogno digitalne konverzije često sadrže značajan nivo šuma. To je posledica same brzine procesora.
Projektovanje digitalne ploče sa signalnim procesorom i pratećim elementima zahteva pored sveobuhvatnog znanja digitalne tehnologije i veliko iskustvo u ovoj oblasti. Obzirom da je posao projektovanja digitalne ploče sa signalnim procesorom ambiciozan poduhvat, a na tržištu postoje platforme koje nude podršku ovakvom projektu, u ovom radu je odlučeno da će se već postojeća ploča sa DSP iskoristiti u tu svrhu.
3.2 EzDSPF2812
3.2.1 Osnove o EzDSPF2812 kao razvojnoj platformi
Proizvod firme Spectrum Digital, EzDSPF2812 predstavlja razvojnu ploču sa
digitalnim signalnim procesorom TMS320F2812. Ovakva ploča je napravljena kao razvojna platforma za projektante u slučaju da se pojavi interes u vezi rada digitalnog signalnog procesora F2812. Ova ploča predstavlja svojevrsnu samostalnu platformu za razvoj i ispitivanje da li TMS320F2812 odgovara i zadovoljava zahteve aplikacija [2]. Ova platforma obuhvata analiziranje i razvoj koda namenjenog procesoru F2812 na visokom hijararhiskom nivou. Ploča u potpunosti podržava JTAG standard tako da više nije potrebno koristiti simulatore kako bi se vršilo debagovanje koda.
Emulatori predstavljaju dosta naprednije rešenje za debagovanje koda jer se u
svakom taktu može imati uvid u skoro svaki registar, tj. njegovu stvarnu vrednost i samim tim prirodu procesa tj. problema. Simulatori predstavljaju softverski paket u kome
33
su implementirani principi rada procesora, njegova arhitektura i registri. Na taj način se pokušava simulirati rad određenog procesora što realnije je moguće. Mana ovog načina je što se nema realna slika o radu procesora u izvršavanju koda u realnom vremenu. Emulacija kod ovakvih razvojnih rešenja je postala veoma pristupačno oruđe i ljudima koji nisu eksperti za digitalne signalne procesore.
Ploča pored signalnog procesora i pratećih elemenata, sadrži i konektore na
kojima se mogu naći svi pinovi procesora, odgovarajuće grupisani. Pomoću ovih konektora, ova ploča se može adaptirati tj. signalni procesor primeniti kao mikrokontroler raznih sistema kako bi se njegove karakteristike mogle analizirati.
Slika br.19. Strukturalni prikaz EzDSP pločice sa F2812
3.2.2 Tehnički podaci i korišćene konekcije
EzDSP2812 se napaja putem P6 konektora sa +5V i zahteva oko 500mA [2]. Potrebno je obezbediti dodatno napajanje ako se razvojna ploča povezuje sa nekim drugim pločama kako ne bi došlo do oštećenja konektora P6. Pored konektora za napajanje postoji još 8 konektora i njihove specifikacije se mogu pronaći u tabeli br.5.
Pošto nam je konektor P1 od malog značaja i nije korišćen prilikom laboratorijskog dela ovog rada, nećemo se osvrtati na značenje njegovih konekcija. Konektor P2 prestavlja mesto gde se mogu naći konekcije sa pinovima eksternog
34
interfejsa signalnog procesora. Ova mogućnost ovog procesora je veoma zgodna jer moderni elektromotorni pogoni visokih performansi uglavnom imaju DSP kao mikrokontroler koji obavlja primarnu regulaciju, dok se nadređeni procesor (koji ne mora ali može biti DSP) brine o sekundarnoj regulaciji, komunikaciji, korisničkom interfejsu (MMI - Man Machine Interface).
Tabela br.5. Tabela konektora[2]
Konektor Opis P1 JTAG interfejs P2 Konekcije sa pinovima DSP P3 Paralelni JTAG konektor namenjen za emulaciju
P4/P7/P8 Ulazno izlazni pinovi DSP P5/P9 Analogni podsistem pinova DSP
P6 Napajanje kartice
Tada je izuzetno bitno da međusobna komunikacija ova dva mikrokontrolera bude veoma brza kako bi aduti ovakvog sistema došli do izražaja. Eksterni interfejs omogućuje najbržu komunikaciju i time obezbeđuje visoke performanse ovakvih sistema. U ovom radu ova sposobnost DSP nije iskorišćena jer se rad bavi pogonom niske cene i male snage tako da ne postoji potreba za nadređenim mikrokontrolerom ali samom implementacijom DSP F2812 u upravljački sistem pretvarača, koji podržava ovu mogućnost se ostavlja prostor naknadnom unapređenju ukoliko se ukaže potreba za njim.
Paralelni konektor P3 obezbeđuje paralelnu komunikaciju sa PC računarom,
kojom se inače obavlja emulacija. Paralelni JTAG konektor uz korišćenje odgovarajućeg softvera, o kome će docnije biti reči, omogućava uvid u registre signalnog procesora, redosled izvršavanja instrukcija a sve u cilju otklanjanja grešaka i poboljšanja samog koda. Konektor P4 predstavlja mesto na kome se mogu pronaći veze sa sledećim pinovima signalnog procesora: Tabela br.6. Tabela signala konektora P4
Redni broj Ime pina DSP 1 +3.3V/+5V 2 XINT2/ADCSOC 3 MCLKXA 4 MCLKRA 5 MFSXA 6 MFSRA
35
7 MDXA 8 MDRA 10 GND 11 CAP5/QEP4 12 CAP6/QEPI2 13 T3PWM/T3CMP 14 T4PWM/T4CMP 15 TDIRB 16 TCLKINB 17 SCITXDB XF/XPLLDISn 18 SCIRXDB 19 GND
Na konektorima P7 i P8 postoje sledeće veze: Tabela br.7. Tabela signala konektora P7
Redni broj Ime pina DSP 1 C1TRIPn
2 C2TRIPn
3 C3TRIPn
4 T2CTRIPn/EVASOCn
5 C4TRIPn
6 C5TRIPn
7 C6TRIPn
8 T4CTRIPn/EVBSOCn
10 GND
Tabela br.8. Tabela signala konektora P8
Redni broj Ime pina DSP 1 +3.3V/+5V 2 +3.3V/+5V 3 SCITXDA
4 SCIRXDA
5 XINT1n/XBIOn
6 CAP1/QEP1
36
7 CAP2/QEP2
8 CAP3/QEPI1
9 PWM1
10 PWM2
11 PWM3
12 PWM4
13 PWM5
14 PWM6
15 T1PWM/T1CMP
16 T2PWM/T2CMP
17 TDIRA
18 TCLKINA
19 GND 20 GND 22 XINT1N/XBIOn
23 SPISIMOA
24 SPISOMIA
25 SPICLKA
26 SPISTEA
27 CANTXA
28 CANRXA
29 XCLKOUT
30 PWM7
31 PWM8
32 PWM9
33 PWM10
34 PWM11
35 PWM12
36 CAP4/QEP3
37 T1CTRIP/PDPINTAn
38 T3CTRIP/PDPINTBn
39 GND
40 GND
Sa ovih konektora odgovarajućim flet kablom signali se mogu voditi do interfejs pločice koja je namenski projektovana za adaptiranje signala sa IRDAK 10 ka EzDSP
37
ploči. Konektori koji su takođe korišćeni jesu P5 i P9. Sledeće tabele (tabele br.9. i br.10.) prikazuju njihove konekcije. Tabela br.9. Tabela signala konektora P5
Redni broj Ime pina DSP
1 ADCINB0
2 ADCINB1
3 ADCINB2
4 ADCINB3
5 ADCINB4
6 ADCINB5
7 ADCINB6
8 ADCINB7
9 ADCREFM
10 ADCREFP
Tabela br.10. Tabela signala konektora P9
Redni broj Ime pina DSP
1 GND
2 ADCINA0
3 GND
4 ADCINA1
5 GND
6 ADCINA2
7 GND
8 ADCINA3
9 GND
10 ADCINA4
11 GND
12 ADCINA5
13 GND
14 ADCINA6
15 GND
16 ADCINA7
17 GND
18 VREFLO
19 GND
38
3.3 Code Composer Studio
Code Composer Studio predstavlja softverski alat firme Texas Instruments i namenjen je za debagovanje, simuliranje i emuliranje, uopšteno rečeno razvoju programskih algoritama koji će se izvršavati na digitalnim signalnim procesorima ove firme. Ovaj softverski paket se može primeniti na celokupnu paletu signalnih procesora, tako da se za svaku od ranije navedenih serija može pronaći podrška za ponuđene fabričke ploče i simulatori pojedinih signalnih procesora
3.3.1 Instalacija drajvera EzDSP kartice na PC
Pre početka korišćenja ovog softverskog paketa, potrebno je instalirati drajvere koji obezbeđuju komunikaciju računara sa EzDSP karticom putem paralelnog porta PC i paralelnog priključka na EzDSP kartici. Instalacioni fajl, koji se nalazi na memorijskom disku koji je priložen uz ovaj rad, a pod nazivom setupCCSPlatinum_v30104C.exe se pokrene duplim klikom miša ili pritiskom tastera ENTER. Pre pokretanja instalacije potrebno je na računaru imati instaliran Code Composer Studio.
Ako je Code Composer Studio instaliran može se nastaviti sa instaliranjem
komunikacionih drajvera. Nakon pokretanja instalacije pojavljuje se Windows Installer prozor koji korisnika vodi kroz instalaciju postavljajući pitanja i dozvoljavajući određene izbore. Instalacioni proces će iskopirati potrebne fajlove u direktorijum sadržan u Code Composer Studio direktorijumu. Tokom instalacije, korisnik može da ima uvid u strukturu fajlova koji instalacioni proces treba da kopira ili eventualno da promeni default podešavanja instalacionog procesa. Menjanje default podešavanja podrazumeva suštinsko razumevanje promenjenih podešavanja i njihovih kasnijih efekata.
Nakon instaliranja drajvera, plava ikonica sa inicijalima SD (skraćeno od
Spectrum Digital) će se pojaviti na desktopu. Potrebno je sada pokrenuti tu aplikaciju. Nakon toga pojaviće se prozor kao na slici ispod
39
Slika br.20. Inicijalizacija komunikacionih drajvera
Potrebno je izabrati port adresu 387 sa leve strane prozora, i kliknuti na ikonu “Test connection”. Nakon toga će se u donjem delu prozora pojaviti poruka, indicirajući da li je konekcija uspostavljana uspešno ili ne. Podrazumeva se da bi ovaj deo instalacije protekao kako treba EzDSP kartica mora biti napajanja sa 5V i priključena paralelnim kablom na paralelni port PC. Ukoliko postoji problem, potrebno je uveriti se u BIOS-u PC na kojoj adresi je podešen printer port (default vrednost je 387).
Nakon ovog korak možemo nastaviti ka Code Composer Studio i samom procesu emulacije.
3.3.2 Radno okruženje Code Composer Studio
Nakon što se startuje program, potrebno je odrediti ciljnu konfiguraciju tj. moramo se odlučiti za neki od konkretnih procesora i to izabrati u Code Composer Studio Setup inicijalizaciji. Na ovaj način će Code Composer Studio da učita potrebne komunikacione drajvere ako se radi o emulaciji ili potrebne biblioteke i ostale fajlove
40
podrške koji su potrebni ako je u pitanju simulacija nekog od procesora. Prozor u kome se vrši ovaj izbor se može videti na slici br.21.
Slika br.21. Izbor ciljne konfiguracije Code Composer Studio Setup
U ovom koraku je potrebno izabrati konkretan procesor i odlučiti se da li startovati simulator za taj procesor ili emulaciju. Od ponuđenog izbora u sheet prozora „Factory Boards” debagovanje i analiza koda za testiranje celog pogona je vršena na F2812 XDS560 Emulator ploči, što se može uočiti i sa leve strane slike br.21.
Korisno je pomenuti da se simulatori određenih procesora koriste u ranim fazama razvoja mikrokontrolerskog koda. Na taj način je moguće imati uvid u prirodu obrade instrukcije od strane CPU, potrebnom broju taktova procesorskog oscilatora za izvršavanje operacija od interesa kao što su matematičke operacije i operacija sa podacima, na primer dobavljanje podatka iz memorije i slično. Na žalost simulacija po prirodi stvari nikada ne može u potpunosti da dočara stvarne procese tako da treba napomenuti da postoje sumnje u kolikoj je meri simulator Code Composer Studio u stanju da verno uvrsti ponašanje procesorskih podsistema, recimo „pipeline“ signalnog procesora u simulacije digitalnih signalnih procesora. Inače, izuzev zamerkama vezanih
41
za same finese razvoja softvera za signalne procesore, simulatori ovog softverskog paketa ostaju veoma moćno oruđe inženjera u ranim fazama razvoja koda.
Kao sledeća stavka razvoja koda, smatra se emulacija pomenutog na signalnom
procesoru. Za ovakvu vrstu analize potrebna je i evaluaciona kartica, koja ima podržane sve periferijske podsisteme samog procesora, a sam JTAG standard obezbeđuje mogućnost da se iz Code Composer Studio ima uvid svakog registra signalnog procesora, čitaju memorijske lokacije, itd.
Posle načinjenog izbora i klika na Save & Quit, Code Composer Studio će automatski startovati otvorivši prozor kao na slici br.22.
Slika br.22. Izgled Code Composer Studio radnog okruženja
Code Composer Studio je softver koji radi sa projektima, fajlovima (sa ekstenzijom .pjt) specifičnim za ovaj program. U fajlovima ovog tipa sadržane su sve bitne informacije o samom spisku fajlova koji direktno učestvuju u kreiranju asemblerskog koda, lokacijama u kojima je potrebno pronaći source kodove, hedere, biblioteke, o načinu kompajliranja, memorijskim mapama samog procesora i još mnogo toga. Posle učitanog projekta radno okruženje poprima izgled kao na slici br.23.
42
Slika br.23. Izgled Code Composer Studio radnog okruženja
Kao što se može videti, sa leve strane radnog okruženja, postoji strukturalna podela foldera koji sadrže potrebne prateće fajlove samog projekta. Folderima kao što su ‘Source’, ‘Libraries’, ‘Include’, ’DSP/BIOS’ možemo pridružiti fajlove i na taj način praviti svojevrsnu strukturu dokumentacije koja je vezana za kod. U folderu ‘Include’ će se, posle prvog kompajliranja, pojaviti svi potrebni .h fajlovi koji su naredbom u C programskom jeziku “ #include<name_of_file.h> „ pozvani iz fajlova sadržanih u ‘Source’ folderu. To znači da heder fajlovi koje sadrži Code Composer Studio kao fajlove podrške određenom procesoru, a koji su sistematizovani od strane T.I. će biti pronađeni dok za naknadno napisane heder fajlove je potrebno dodatno uputiti sam kompajler. Takva opcije, a i dosta drugih podešavanja, se mogu podesiti tako što se nakon desnog klika na .pjt fajl, izabere Build Options>> Compiler>> Preprocess.......
Kako bi sam razvoj i prilagođenje radnom okruženju bilo što lakše i brže, razvijeni su primeri koji pokazuju efikasne načine rada sa fajlovima pomenutih ekstenzija. Pomenuti primeri napisanih kodova sadržani su u fajlu koji takođe sadrži i sve potrebne heder fajlove. Ovaj fajl se nalazi na memorijskom nosaču koji je priložen uz ovaj rad i to pod nazivom „sprc097.zip”. Nakon napisanog programa, ikona/komanda Build all (koja se može pronaći i u Project padajućem meniju) će pokrenuti kompajliranje celog projekta i na taj način stvoriti asemblerski kod kao i .out fajl koji se učitava u memoriju signalnog procesora (predstavlja izvršni zapis asemblerskog koda).
43
3.3.3 Izvršavanje programa na EzDSP kartici
Emulacija koda na kartici može da počne čim se napravi .out fajl. Navedimo ceo postupak još jednom u celini. Prvo se naravno mora dovesti napajanje EzDSP kartici dovođenjem +5V na konektor P6. Takođe moramo povezati pomenuti konektor za emulaciju kablom za paralelnu vezu sa paralelnim konektorom na PC. Nakon što smo se uverili da je pomenuto urađeno, možemo startovati Code Composer Studio. U slučaju da predhodno nije bilo, potrebno je izabrati F2812 X560 Emulator Board kao ciljnu konfiguraciju. Nakon startovanja Code Composer Studio potrebno je izabrati iz padajućeg menija Debug opciju Connect kako bi se uspostavila komunikacija između PC i EzDSP kartice. Kao jedna od potvrda uspostavljene komunikacije u radnom okruženju Code Composer Studio će se pojaviti prozor sa zatečenim sadržajem memorije digitalnog signalnog procesora.
Nakon ovoga potrebno je otvoriti svoj projekat i kompajlirati ga kako bi se kreirao odgovarajući .out fajl u slučaju da nije postojao ili su u međuvremenu načinjene neke izmene u kodu. Nakon Rebuild all komande, preostaje još samo da se program prebaci u digitalni signalni procesor i emuliranje može da počne. Učitavanje napisanog koda u digitalni signalni procesor se obavlja tako što se iz padajućeg menija File izabere opcija Load Program. Fajl sa imenom identičnim kompajliranom projektu a ekstenzijom .out se obično nalazi u folderu Build koji je sadržan u folderu samog projekta. Ovim korakom, program je učitan u signalni procesor i Program Counter signalnog procesora se postavlja na adresu prve instrukcije napisanog koda.
Code Composer Studio ima mnoštvo pomagala kako bi se lakše pratilo izvršavanje programa. Kao prvo ćemo navesti najosnovnije naredbe kao što su Assembly Single Step, Assembly Step Over, Source Single Step, Source Step Over, koje redom znače: uradi jednu asemblersku instrukciju, izvrši asemblersku celinu, uradi jednu instrukciju napisanu u C programskom jeziku, uradi instrukcijsku celinu napisanu u C programskom jeziku. Ove instrukcije kombinovane sa Run to cursor naredbom, su sasvim dovoljne da se u potpunosti kontroliše izvršavanje koda a pritom štedi vreme razvoja istog. Sam tok izvršavanja je uprošćen time što je istovremeno moguće posmatrati kako C kod tako i odgovarajuće asemblerske naredbe i na taj način i vršiti optimizaciju neadekvatno prevedenih instrukcija. Ovu opcija se (Mixed Source/ASM) može izabrati iz padajućeg menija View.
44
Naprednija analiza se vrši upotrebom različitih opcija iz pomenutog padajućeg
menija View. Neke od njih su Memory čime se ima uvid u naznačeni deo memorijskog prostora, Registers čime se posmatraju sistemski registri i njihove vrednosti, Graph koji nam omogućava da iscrtamo na dijagramu određene vrednosti smeštene u naznačenom memorijskom opsegu. Posmatranje promenljive od interesa od instrukcije do instrukcije je takođe omogućeno njenim dodavanjem u Watch Window, što se izvodi prostim desnim klikom na promenljivu i izborom Add to Watch Window.
3.3.4 Kratko o IQ brojnom sistemu
Kako je moguće u procesoru koji nema hardver koji podržava matematiku sa racionalnim brojevima pomnožiti dva racionalna broja? Odgovor na ovo pitanje se krije u programerovom shvatanju sadržaja registara pre i posle posmatrane matematičke operacije i poznavanju principa izvršavanja pojedinih matematičkih operacija od strane samog procesora. Posmatrajmo dva (radi jednostavnosti, mada je analiza primenjiva i na n-bitne brojeve) označena četvorobitna broja u komplementu dvojke. Neka su to brojevi a=0110 i b=1110. U konvencionalnoj predstavi broj a je u decimalnom dekadnom zapisu 6,0 dok b tumačimo kao -2,0. U slučaju da ih posmatramo kao razlomljene brojeve, tj. da postoje cifre i desno i levo od zapete, potrebno je da se odlučimo gde želimo da nam bude zapeta. Recimo da smo se odlučili da nam zapeta stoji između trećeg i drugog bita. Sada u našem shvatanju vrednosti promenjiva a nije više 6,0 već 0.75 (u decimalno dekadnom sistemu), dok promenljiva b sada ima vrednost -0.25.
0.110 0.75 31.110 0.25 3
00000110
01101010
1.110100 0.1875 6
Q
−× −
− −
−
Slika br.23. predstava množenja binarnih brojeva u Q formatu
45
Napomenimo da ove zapete NE POSTOJE ni u kodu niti ih sam procesor može na
bilo koji način uvažiti i kada bi postojale. One samo predstavljaju dogovor programera kojim je određeno na koji način se tumače vrednosti pojedinih promenljivih. Usvojimo sada dogovor da se brojevi kojima se zapeta nalazi na mestu prvog bita predstavljaju brojeve u Q1 formatu. Ukoliko se zapeta nalazi između n-tog i (n-1) bita tada je broj u Qn formatu. Znači, format Q nam govori gde se nalazi zapeta koje odvaja cele i decimalne delove brojeva.
Pravila koja važe pri radu sa brojevima u Q formatu su sledeća. Pri sabiranju ili oduzimanju potrebno je svesti oba operanda na isti format Qx, pa onda izvršiti potrebnu operaciju pri čemu se i rezultat tada nalazi u tom formatu. Svođenje sa Q(x+1) formata na Qx se vrši množenjem sa 2 (ovo važi isključivo za binarne brojeve). U većini kodova se ovo svodi na levo (množenje) ili desno (delenje) šiftovanje bitova posmatranog broja jer je ova operacija brža. Pri množenju dva operanda potrebno je samo imati u vidu da se rezultat nalazi u formatu Qx = Qa*Qb, gde su sa Qa i Qb označeni formati brojeva koji se množe. Pošto rezultat posle množenja ima dva puta više bitova nego pojedinačni operandi, potrebno je voditi računa o formatu rezultata množenja kada se odbacuju nepotrebni biti.
U pratećim dokumentima (.h, .lib) ovakva aritmetika je već implementirana i naziva se IQ aritmetika a nalazi se u IQ_math biblioteci. U njoj su sadržane funkcije koje vrše određene konverzije između formata na efikasan način, štedeći procesorske resurse.
3.3.5 Struktura koda
Pisanje koda za naročit digitalni signalni procesor je posao koji zahteva intenzivno poznavanje arhitekture signalnog procesora. Softverske sposobnosti tako]e moraju biti na visokom nivou jer kod mora biti napisan ne samo tačno već i optimizovano. Vreme procesiranja jeste najveći adut ovom tipu procesora i besmisleno je to vreme potrošiti na neoptimizovan kod.
Do skoro kod za mikrokontrolere je pisan kao sekvencijalno izvršni program.
Takav način pisanja koda je davao dobre rezultate ali sam kod je gubio dosta na preglednosti i urednosti. Kako su ovo veoma bitne osobine svakog koda, iako na prvi pogled ne izgledaju važno, postoje tendencije da se pri pisanju koda za nove generacije
46
fixed point digitalnih signalnih procesora simulira objektno organizovan kod. Ovakav način pisanja prihvatio je i Texas Instruments (TI) i implementirao ga u prateće fajlove podrške za svoje signalne procesore nove generacije.
Kao mala ilustracija pomenutog načina kodiranja a sa ciljem boljeg predstavljanja problematike dat je deo koda iz jednog projekta.
Neka je autor koda napravio strukture u C programskom jeziku, koje izgledaju
kao (kako su delovi koda namenjeni isključivo u ilustrativne svrhe, navedene su samo dve strukture): struct ADCTRL1_BITS // bits description Uint16 rsvd1:4; // 3:0 reserved Uint16 SEQ_CASC:1; // 4 Cascaded sequencer mode Uint16 SEQ_OVRD:1; // 5 Sequencer override Uint16 CONT_RUN:1; // 6 Continuous run Uint16 CPS:1; // 7 ADC core clock pre-scalar Uint16 ACQ_PS:4; // 11:8 Acquisition window size Uint16 SUSMOD:2; // 13:12 Emulation suspend mode Uint16 RESET:1; // 14 ADC reset Uint16 rsvd2:1; // 15 reserved ; struct ADC_REGS union ADCTRL1_REG ADCTRL1; // ADC Control 1 union ADCTRL2_REG ADCTRL2; // ADC Control 2 union ADCMAXCONV_REG ADCMAXCONV; // Max conversions union ADCCHSELSEQ1_REG ADCCHSELSEQ1; // Channel select sequencing control 1 union ADCCHSELSEQ2_REG ADCCHSELSEQ2; // Channel select sequencing control 2 union ADCCHSELSEQ3_REG ADCCHSELSEQ3; // Channel select sequencing control 3 union ADCCHSELSEQ4_REG ADCCHSELSEQ4; // Channel select sequencing control 4 union ADCASEQSR_REG ADCASEQSR; // Auto sequence status register Uint16 ADCRESULT0; // Conversion Result Buffer 0 Uint16 ADCRESULT1; // Conversion Result Buffer 1 Uint16 ADCRESULT2; // Conversion Result Buffer 2 Uint16 ADCRESULT3; // Conversion Result Buffer 3 Uint16 ADCRESULT4; // Conversion Result Buffer 4 Uint16 ADCRESULT5; // Conversion Result Buffer 5 Uint16 ADCRESULT6; // Conversion Result Buffer 6 Uint16 ADCRESULT7; // Conversion Result Buffer 7 Uint16 ADCRESULT8; // Conversion Result Buffer 8 Uint16 ADCRESULT9; // Conversion Result Buffer 9 Uint16 ADCRESULT10; // Conversion Result Buffer 10
47
Uint16 ADCRESULT11; // Conversion Result Buffer 11 Uint16 ADCRESULT12; // Conversion Result Buffer 12 Uint16 ADCRESULT13; // Conversion Result Buffer 13 Uint16 ADCRESULT14; // Conversion Result Buffer 14 Uint16 ADCRESULT15; // Conversion Result Buffer 15 union ADCTRL3_REG ADCTRL3; // ADC Control 3 union ADCST_REG ADCST; // ADC Status Register ;
Sada imamo definisanu strukturu koja se zove ADC_REGS i u njoj još mnogo pojedinačnih struktura, od kojih smo samo za ADCTR1 ponudili uvid u kod. Neka se sada ovi objekti, koji su tipa strukture, mapiraju po memorijskom prostoru baš na taj način da se poklopi da na lokaciji gde se nalazi inače i koja je rezervisana za prvi kontrolni registar analogno digitalnog konvertora nađe struktura ADCTR1. Pomenuto mapiranje je sadržano u pratećim fajlovima proizvođača. Na taj način je definisana strukturu sa odgovarajućim poljima čije je čitanje ili upis ekvivalentno čitanju ili upisu prvog kontrolnog registra ADC, bez jasnog znanja programera na kojoj se fizičkoj adresi ovaj registar zaista nalazi. Ovakav način programiranja svakako smanjuje neophodnu količinu informacija koju autor koda mora posedovati da bi napisao validan kod i time ubrzava sam proces.
Sam naziv strukture je namerno odabran kako bi nedvosmisleno asocirao programera sa kojim fizičkim registrom je u direktnoj vezi. Ovakav način programiranja zahteva manje dodatnih komentara u toku pisanja koda zbog očigledne asocijabilnosti samih promenljivih.
U pojedinim situacijama ako se insistira na pojedinačnom dodeljivanju vrednosti
pojedinim bitovima ovako pisan kod može biti značajno duži nego u prethodnim varijantama sekvencijalnog pisanja koda. Ovo se naravno može izbeći dodelom odgovarajuće vrednosti celokupnom registru tj. odgovarajućem polju u objektu tipa navedene strukture.
Objekti tipa struktura kao što su VHZ_REG, SV_GEN, koje se mogu pronaći u dokumentima podrške pojedinih signalnih procesora (sadržanim na priloženom memorijskom nosaču), su primeri koda često korišćenih algoritama U-f regulacije asinhronog motora i SPACE VECTOR modulacije. Umesto da se definišu pojedine promenljive za recimo maksimalnu frekvenciju koja je dozvoljena pri U-f regulaciji, njena vrednost će se upisati u polje pomenute strukture koje ima naziv FreqMax. Sada bi dodela vrednosti izgledala kao
48
vhz1.FreqMax = 2;
pri čemu je ranije u kodu definisana vhz1 struktura (naravno kao VHZ_REG) koje pored ostalih sadrži i polje nazvano FreqMax.
Ovakav način pisanja koda dosta podseća na objektno orjentisane programske jezike.
4 Interfejs pločica
Kako EzDSP i IRDAK 10 nisu kompatibilni po pitanju naponskih okolnosti njihovih signala, postoji neophodnost za interfejs pločicom. Svrha ove pločice jeste da prilagodi signale koje je ranije koristio mikrokontroler IRDAK 10 pretvarača, novom mikrokontroleru, digitalnom signalnom procesoru. Većina prilagođenja se svodi na naponsko prilagođenje koje je najlakše implementirati pomoću razdelnika napona. Pored samog prilagođavanja uvedene su i dodatne komponente čime se dobilo na značaju i primenljivosti ovakvog pogona. Kako merenje pojedinačnih struja i napona zasebnih faza nije postojalo na IRDAK 10 pretvaraču, uvedeni su strujni i naponski senzori na interfejs pločici. Strujne senzore predstavljaju čipovi u kojima je integrisani LEM senzori struje a koji za izlaz imaju napon srazmeran merenoj struji. Ovi senzori su u stanju da mere struju u oba smera, do maksimalnih 5A. Za naponske senzore su iskorišćeni razdelnici napona koji svode napone pojedinih faza na nivo prihvatljiv signalnom procesoru.
4.1 Projektovanje digitalnih sistema i električne štampe
Ispravno projektovana štampana električna kola su jedan od osnovnih preduslova kako bi celokupno kolo radilo što je bolje moguće, pogotovu kada je po sredi digitalni sistem visokih prekidačkih učestanosti.
49
Na prvom koraku je potrebno formulisati kako izgleda električna šema kola koje želimo da stavimo na štampanu ploču. Kako je ovo obično već poznato, potrebno je samo iskoristiti neki od programa za crtanje šema (od kojih su najpopularniji OrCAD, Protel...) radi sledećeg koraka. U ovom delu projektovanja potrebno je predvideti i imati tačnu predstavu o količini i egzaktnom modelu elemenata i IC koja se koriste u električnom kolu od interesa, kako bi se projektant upoznao sa njihovim kako električnim tako i mehaničkim osobinama. Ukoliko je slučaj da u bazi komponenata korišćenog softvera ne postoji komponenta od interesa potrebno je napraviti kako njen simbol u ovom delu projektovanja tako i njen takozvani footprint radi kasnijih potreba. Footprint predstavlja projekciju komponente na horizontalnu podlogu postavljene u položaju u kome bi stajala na ploči.
Kao napomena koju iskusniji inženjeri navode pri početku projektovanja PCB (Printed Circuit Board), jeste da se pre početka uvek upozna stanje tržišta komponenata koje su potrebne. Ako se ceo posao projektovanja i štampe završi sa jednom planiranom komponentom i na kraju posla se uvidi da je praktično ne moguće tu komponentu nabaviti (ili češće mnogo skuplje), korišćenje zamene može biti veoma mučan i nepotreban posao. Tada je potrebno menjanje/editovanje već izrutiranih štampi.
Nakon napravljene šeme veza i definisanog stanja potrebnih električnih kola od interesa, može se preći na rutiranje štampane ploče. Prethodno se moramo suočiti sa izborom pomenutih footprint -ova za svaku pojedinačnu komponentu. Ovo je neophodno da bude veoma precizno urađeno, tj. moramo proveriti da li pojedinačni footprint-ovi odgovaraju mehaničkim specifikacijama komponente koju predstavljaju. Ovo je bitno iz razloga što se štampane ploče izrađuju na veoma malim površinama tako da i veoma mala greška dovodi do problema pri montaži komponente. Posle izbora u koliko se slojeva izrađuje ploča može se početi sa rutiranjem linija štampanog kola. Najčešći slučaj je dvoslojna štampa ali ako su za projekat od interesa veoma bitni gabariti štampane ploče, štampa se može raditi i u 7 i više slojeva. To dosta poskupljuje izradu štampanih kola. Takođe se mora voditi računa o tome da unutrašnji slojevi štampe nisu u stanju da odvode generisanu toplotu na linijama usled gubitaka u meri kao krajnji slojevi, tako da se mora dodatno smanjiti otpornost ovih linija. Za energetske linije pretvarača nikako ne treba koristiti unutrašnje slojeve.
Izbor debljine i širine linija zavisi kako od očekivane struje na toj liniji tako i od maksimalne brzine signala na toj liniji. Takođe, postoji dosta pravila o samom putu pojedinih linija i postavljanju via (via predstavlja probušenu rupu kroz ploču koja čini provodnik kroz ploču, tj. provodnik sa gornje strane na donju stranu ploče) jer povećavaju otpornost linije.
50
4.2 Opisi signala
Svi signali, njihova funkcija pre prilagođenja i nakon prilagođenja se nalaze u tabeli br.11. Tabela br.11. Signalni konektor
Pin
Fun
kcija
Pre prilagođenja / Signali sa IRDAK 10-a
Nakon prilagođenja signala / Signali ka DSP
MCLR /
NE KORISTI SE
NE KORISTI SE
AN0
Mer
enje
Idc
stru
je
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi napon sa šant otpornika R58, odnosno signal struje DC kola. AN0=2.5V za Idc=0A, AN0=1.93V za Idc=1A i AN0=1.36V za Idc=2A. SHORT_CIRCUIT je tek pri Idc = 8.55A. Tada je napon na ovom pinu (2.5V - 8.55*0.57V)= - 2.37V <0.
ADC modul DSP, input, ADC_INA1. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Postaviti diodu kao limiter negativnog napona. Signal je u opsegu od 2.5V za Idc=0A do 0V za Idc = 4.3A. Struja Idc NE SME DA BUDE VEĆA jer onda nemamo informaciju o njoj. Rezolucija je 12bitna. 1A = 0.57V *(4095/3V) = 778. Granične vrednosti: Idc=4.3A ==> Analog 0V==> Digit 0 Idc=0A ==> Analog 2.5V==>Digit 3413
AN1
Mer
enje
Udc
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi naponski signal srazmeran naponu DC kola Udc. Za Udc=385V se dobija AN1=3V. Za Udc=385V mora doći do isključivanja pogona zbog prenapona a za Udc<180V, pogon se isključuje zbog preniskog napona.
ADC modul DSP, input, ADC_INA2. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Otpornički ( 3k3 i 1k ) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Dobijamo za 385V napon od 3V*3k3/4k3=2.3V. Rezolucija je 12bitna. 10V = 4095*(2.3/385) =246. Granične vrednosti: Udc=385V ==> Analog 2.3V==> Digit 3276 Udc=180V ==> Analog 1.07V==>Digit 1461
51
AN2
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi signal temperature IRAMS modula. Za temperature od 0 do 100°C, napon na AN2 pinu je od 1.25V do 1.76V a rezultat A/D konverzije je u granicama od 106 do 151. Ako se želi ograničenje maksimalno dozvoljene temperature na 85°C, potrebno je isključiti IRAMS modul kad se na pinu AN2 pojavi napon od (145/255)*3V. Napomena: Ovaj signal je validan samo kada je pogon uključen (ENABLE=1). Kada je pogon isključen (ENABLE=0), tada je AN2=5V pa tada ovaj signal u softveru treba ignorisati.
ADC modul DSP, input, ADC_INA3. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Otpornički ( 3k3 i 1k ) razdelnik sa R=1k na red i C=100nf vezan otočno R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Signal je u opsegu od 1.25V za T = 0C od 1.76V za T = 100C. Rezolucija je 12bitna. 10C= 4095*(0.176V/3V) =241.
AN3/ ADRE
F
/
Analogni ulaz. Ovaj ulaz je softverski konfigurisan tako da se sa njega očitava analogna referenca za A/D konvertor.
NE KORISTI SE
RA4
Palje
nje
/ gaš
enje
LE
D1
Digitalni izlaz sa otvorenim drejnom. Ovaj pin je konfigurisan kao izlazni, upisom u odgovarajući TRISA registar. Kada je na ovom pinu logička nula, svetli dioda LED1.
GPIO pin DSP, digital output, GPIOA13. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Pullup otpornici od 1K na +5V i C10nF otočno.
AN4
Analogni ulaz. Na ovaj ulaz se dovodi analogna referenca za brzinu ili za nešto drugo. U zavisnosti od džampera G1 i G2 na AN2 pin se dovodi signal ili sa klizača potenciometra R25 ili sa pina 11 konektora J3.
ADC modul DSP, input, ADC_INA4. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Otpornički ( 3k3 i 1k ) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Rezolucija je 12bitna. Granične vrednosti: AN4=5V ==> Analog 3.83V==> Digit 4096 AN4=0V ==> Analog 0V==>Digit 0
GND
Mas
a
Masa uređaja.
Mora postojati galvanska veza između masa eZkit – prilagodne kartice i IRDAK 10
52
OSC1 OSC2
/ Priključci kristalnog oscilatora (kvarc).
NE KORISTI SE
RC0
Palje
nje/
ga
šenj
e LE
D2 Digitalni izlaz. Ovaj pin je
konfigurisan kao izlazni upisom u TRISC registar. Na ovaj pin je vezana dioda LED2.
GPIO pin DSP, digital output, GPIOA12. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Pullup otpornici od 1K na +5V i C10nF otočno. ON=high, OFF= low
RC1
Palje
nje/
ga
šenj
e LE
D3 Digitalni izlaz. Ovaj pin je
konfigurisan kao izlazni upisom u TRISC registar. Na ovaj pin je vezana dioda LED3.
GPIO pin DSP, digital output, GPIOA11. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Pullup otpornici od 1K na +5V i C10nF otočno. ON=high,OFF= low
RC2 /
Digitalni ulaz (SP1 – Spare input). Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar. Ovaj pin očitava stanje na pinu 9 konektora J3.
NE KORISTI SE
RC3 /
Digitalni ulaz (SP2 – Spare input). Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar. Ovaj pin očitava stanje na pinu 8 konektora J3.
NE KORISTI SE
53
RC4
Sign
al –
kra
tak
spoj
Digitalni ulaz. Signal SHORT_CIRCUIT. Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar. Ovaj signal je validan isključivo kada je IRAMS modul uključen, tj. kada je signal ENABLE (pin RB1) na logičkoj jedinici. Ako je ENABLE aktivan SHORT_CIRCUIT treba da bude na logičkoj nuli. Ovaj signal se očitava u svakom interaptu i ako se pri ENABLE=1 desi da je i SHORT_CIRCUIT=1 znači da je došlo do kratkog spoja koji je zapamćen od strane flip-flopa koji je formiran kolom LM339. Tada je potrebno 10 do 15 puta resetovati stanje SHORT_CIRCUIT slanjem kratkog impulsa na RESETSC pin.
GPIO pin DSP, digital input, GPIOA10. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Otpornički ( 3k3 i 1k ) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. ON=high, OFF= low
RC5
Sign
al –
rese
t flip
flop
a ko
ji leču
je k
rata
k sp
oj
Digitalni izlaz. Signal RESETSC. Ovaj pin je konfigurisan kao ulazni upisom u TRISC registar i on se nalazi u stanju visoke impedanse. U bit 5 (RC5) registra PORTC treba upisati jedinicu. U trenutku kada RC5 bude konfigurisan kao izlazni, pojaviće se baferovana jedinica (+5V) na pinu. Upotreba: Kada se detektuje kratak spoj, SHORT_CIRCUIT, koji je 'memorisan' u flip-flopu koji se sastoji od LM339 sa pozitivnom povratnom spregom, se resetuje tako sto se na 1-2 uS (5-10 ciklusa) pin RC5 drži konfigurisan kao izlazni, a odmah zatim se vrati nazad da bude konfigurisan kao ulazni. (Razlozi za ovo se mogu naći u šemi).
GPIO pin DSP, digital output, GPIOA9. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Kako je korišćenje ovog pina specifično mora se staviti jedan signalni tranzistor. Emitor je vezan za RC5 dok je kolektor na VCC+5V. Na taj način smo prilagodili naponske nivoe i istovremeno zadržali potpuno istu funkciju. Odnosno: Signal RC5 je u stanju visoke impendanse kada je GPIOA9 pin low, odnosno na +5V kada je GPIOA9 pin high. Uočimo da se reset može vršiti istovetno kao i na PIC. ON=high,OFF= low
54
RC6
TxD, Transmit pin serijske veze. Ovaj pin je softverski konfigurisan kao TRANSMIT pin.
NE KORISTI SE
RC7 RxD, Receive pin serijske veze. Ovaj pin je softverski konfigurisan kao RECEIVE pin.
NE KORISTI SE
GND
Mas
a
Masa uređaja.
Mora postojati galvanska veza između masa eZkit – prilagodne kartice – IRDAK 10
VCC
Nap
ajan
je
Napajanje procesora +5V
Mora postojati galvanska veza između VCC+5V eZkit – prilagodne kartice – IRDAK 10
RB0
Sign
al sa
tast
era
Digitalni ulaz RB0. Ovaj pin je konfigurisan kao ulaz preko TRISB registra. Na ovaj pin se dovodi signal sa tastera S1
GPIO pin DSP, digital input, GPIOA8. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Otpornički (3k3 i 1k) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Uključen kad je 0V, isključen kada je +5V (+3.8V posle prilagođenja)
RB1
Sign
al, d
ozvo
la
rada
( EN
ABLE
) Digitalni izlaz RB1, ENABLE pin. Ako je na ovom logička nula (0V) IRAMS modul je isključen. Ako je na ovom pinu logička jedinica (+5V) IRAMS modul je uključen.
GPIO pin DSP, digital output, GPIOA7. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Pullup otpornici od 1K na +5V i C10nF otočno. ON=high,OFF= low
RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7
PWM
sign
ali
Digitalni izlazi. PWM pinovi. Nakon reseta ovi pinovi treba da budu konfigurisani kao ulazni tj. da se nalaze u stanju visoke impedanse. Svaki od ovih 6 signala uključuje/isključuje po jedan od 6 IGBT tranzistora IRAMS modula. Visok nivo (+5V) drži IGBT isključenim, nizak nivo (0V) uključuje IGBT.
GPIO pin DSP, digital output, GPIOA1-GPIOA6. Naponski nivo DSP koji odgovara stanju HIGH je 3.3V dok je za LOW 0V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala DSP. Pullup otpornici od 1K na +5V. VAŽNO: Nivo od +5V je OFF stanje za tranzistore IRAMS-a, što znači da pri generisanju PWM se mora softverski voditi računa da je LOW uključuje tranzistor. ON=low, OFF=high
55
Tabela br.12. Signali merenja dodati na interfejs pločicu Merenje fazne
struje Ia
MERENJE STRUJE Ia. ADC modul DSP, input, ADC_INA5. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala
DSP. Otpornički (3k3 i 1k) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Svedeni signal je u opsegu od 4V*3k3/4k3 za Ia=8A do 1V*3k3/4k3 za Ia = -8A.
Rezolucija je 12bitna. 1A = (4095/3)*(3k3/4k3)/0.185 = 194. Granične vrednosti: Ia= 8A==> Analog 3.07V==> Digit 4095 Ia= 0A ==> Analog 2.5V==> Digit 3413 Ia= -8A ==> Analog 0.76V==> Digit 1038
Merenje fazne struje
Ib
MERENJE STRUJE Ib. ADC modul DSP, input, ADC_INA6. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala
DSP. Otpornički (3k3 i 1k) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Signal je u opsegu od 4*3k3/4k3 V za Ib=8A do 1V*3k3/4k3 za Ib = -8A.
Rezolucija je 12bitna. 1A = 4095*(0.185/3) = 194. Granične vrednosti: Ib= 8A==> Analog 3.07V==> Digit 4095 Ib= 0A ==> Analog 2.5V==> Digit 3413 Ib= -8A ==> Analog 0.76V==> Digit 1038
Merenje fazne struje
Ic
MERENJE STRUJE Ic. ADC modul DSP, input, ADC_INA7. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje signala
DSP. Otpornički (3k3 i 1k) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Signal je u opsegu od 4V*3k3/4k3 za Ic=8A do 1V*3k3/4k3 za Ic = -8A.
Rezolucija je 12bitna. 1A = 4095*(0.185/3) = 194. Granične vrednosti: Ic= 8A==> Analog 3.07V==> Digit 4095
Ic= 0A ==> Analog 2.5V==> Digit 3413 Ic= -8A ==> Analog 0.76V==> Digit 1038
Merenje faznog napon
Ua
MERENJE NAPONA Ua. ADC modul DSP, input, ADC_INA8. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje
signala DSP. Otpornički (3x200k i 4k7) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Signal je u opsegu od 0V do 3V, što odgovara opsegu naponu DC kola 0V
do 385V. Merenje faznog
napon Ub
MERENJE NAPONA Ub. ADC modul DSP, input, ADC_INB1. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje
signala DSP. Otpornički (3x200k i 4k7) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Signal je u opsegu od 0V do 3V, što odgovara opsegu naponu DC kola 0V
do 385V. Merenje faznog
napon Uc
MERENJE NAPONA Uc. ADC modul DSP, input, ADC_INB2. Maksimalni opseg signala -0.3V< [] < 4.6V. Potrebno je obezbediti naponsko prilagođenje
signala DSP. Otpornički (3x200k i 4k) razdelnik sa R=1k na red i C=10nF vezan otočno. Signal je u opsegu od 0V do 3V, što odgovara opsegu naponu DC kola 0V
do 385V.
56
4.3 Šema veza i izgled štampe
Šeme veza su crtane u programskom paketu OrCAD 10.5 i predstavljene su na narednim slikama.
Slika br.24. izgled konektora na interfejs pločici
57
Slika br.25a. izgled pojedinačnih adaptacija signala na interfejs pločici
58
Slika br.25b. izgled pojedinačnih adaptacija signala na interfejs pločici
Rutiranje linija interfejs pločice je rađeno u Layout editoru OrCAD softverskog
paketa. Izgled linija ploče je dat na sledećoj slici br.26.
59
Slika br.26. izgled linija veza i global spacing elemenata interfejs ploče
60
5 Zaključak
Ovim radom je predložen jedan od načina nadogradnje energetskog pretvarača kako bi se poboljšale performanse regulacije i na raspolaganju imalo širi spektar mogućnosti sistema, obezbeđen upotrebom mikrokontrolera nove generacije.
Elementi energetske elektronike u energetskim pretvaračima predstavljaju komponente koje ne zastarevaju lako. Performanse pojedinih komponenti energetske elektronike u energetskom pretvaraču u najvećem broju slučajeva zadovoljavaju zahteve postavljene pred regulacioni sistem. Za razliku od energetske elektronike, svakih par godina (ako ne i svake godine), na tržištu se pojavljuju mikrokontroleri sa rapidno poboljšanim performansama procesiranja, komplikovanijom i mnogobrojnijom mrežom periferija, manjom potrošnjom, itd. Sistemi koji koriste zastarele mikrokontrolere ubrzo postaju nedovoljno dobri, pa se tako pristupa postupcima koje obrađuje ovaj rad, kako bi se relativno malim ulaganjem ostvarila značajno poboljšanje funkcionisanja pogona. Da je upgrade mikrokontrolera čest i ekonomski opravdan projekat svedoči i činjenica da svaki renomirani proizvođač mikrokontrolera u skup prateće literature za svoj mikrokontroler obavezno ubraja i migration overview. Na taj način se prikazuju kako zastareli mikrokontroler zameniti novim (iste serije/istog tipa) uz minimalno promena što sistema, što koda.
Vrednost rada se ogleda u detaljnoj analizi komercijalnog energetskog pretvarača i sintezi hardvera radi adaptacije kako bi mnogo moćniji mikrokontroler (signalni procesor) zamenio već prevaziđeni mikrokontroler (PIC) na IRDAK 10 pretvaraču. Detaljno su analizirani podsistemi pretvarača, kao i korišćene evaluacione kartice. Opisani su svi signali pre i posle adaptacije i prikazana je interfejs pločica zadužena za adaptaciju signala. Takodje je u kratkim crtama opisan postupak programiranja DSP i njegove emulacije pomoću Code Composer Studio softvera.
Ovakvom nadogradnjom je napravljen moderan sistem energetske elektronike koji
može podržati i zadovoljiti veliku većinu algoritama za kontrolu. Unapređenjem se otvaraju mogućnosti korišćenja algoritama kontrole koji postižu veće uštede energije (što ako se uzme u obzir da se radi o proizvodima široke proizvodnje postaje veoma velika ušteda), pouzdaniji i mirniji rad, bolju preciznost, implementaciju modernijih korisničkih programskih interfejsa, itd. Sve to je moguće dobiti po relativno niskim cenama jer se zavisno od količine poručivanja signalnih procesora, njihova cena drastično smanjuje.
61
Literatura [1] Digitalno upravljanje električnim pogonima, Slobodan N. Vukosavić [2] EzDSPF2812 Technical reference, Spectrum Digital [3] TMS320F2812 user manual, Texas Instruments [4] Power Electronics and Variable Freqency Drives, Bimal K. Bose [5] IRDAK 10 Motor Drive Reference Design Kit, Internatinal Rectefier [6] IRAMS10UP60A user manual, Internatinal Rectefier [7] Studentske beleške iz predmeta Energetski pretvarači [8] Studentske beleške iz predmeta Električna vuča [9] Studentske beleške iz predmeta Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima
62