NE_13_2009.pdf

СОДЕРЖАНИЕ

№13 (77), 2009 г.

УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ

Информационно-технический

журнал.

Решения компании STMicroelectronics для управляемого электропривода

Андрей Никитин ........................................................................................................3

Учредитель – ЗАО «КОмпэл»

Обзор компонентов ON Semicondutor для управления электродвигателями

Дмитрий Цветков ......................................................................................................7

Издается с 2005 г.

DSP

Свидетельство о регистрации:

пИ № ФС77-19835

Разработка высококачественных устройств управления электроприводом

на базе DSP Piccolo (Texas Instruments)

К онстантин Староверов . .........................................................................................10

Редактор:

Геннадий Каневский

vesti@compel.ru

Выпускающий редактор:

Светлана Шахтарина

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Новые источники питания Mean Well для оборудования электропривода

Сергей Кривандин, Евгений Звонарев ...................................................................14

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Редакционная коллегия:

Андрей Агеноров

Евгений Звонарев

Сергей Кривандин

Николай паничкин

Александр Райхман

Борис Рудяк

Илья Фурман

Транзисторные модули Trench IGBT компании International Rectifier

для промышленных применений

Евгений Звонарев ....................................................................................................18

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Передача данных по сети 220 В: аналоговый front-end

(ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments)

Михаил Чигарев ......................................................................................................21

Дизайн, графика, верстка:

Елена Георгадзе

Владимир писанко

Евгений Торочков

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

СС2530 – новый ZigBee-трансивер для широкого спектра применений

(Texas Instruments)

Павел Ильин, Олег Пушкарев .................................................................................25

Распространение:

Юлия мариненко

Электронная подписка:

www.compeljournal.ru

Отпечатано:

«Гран при»

г. Рыбинск

В СЛЕДУЮЩИХ НОМЕРАХ

Тираж – 1500 экз.

Аналоговый мир STMicroelectronics

Новые компоненты для управления электропитанием

Подписано в печать:

5 октября 2009 г.

Если вы хотите предложить интересную тему для статьи в следующий номер журнала –

пишите на адрес vesti@compel.ru с пометкой «Тема в номер».

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 13, 2009

ОТ РЕДАКТОРА

Уважаемые

читатели!

электропривод – главный по-

требитель электроэнергии в ми-

ровой структуре потребления.

Освещение значительно отста-

ет от него по этому показателю.

электродвигатели применяют-

ся практически во всех сферах

жизни: в быту, на производстве,

в транспорте, в процессе добычи

природных ресурсов. поводом

для раздумья является то, что в

индустриально развитых странах

мира соотношение регулируемо-

го и нерегулируемого электро-

привода составляет примерно 50

на 50% (при этом мировой рынок

регулируемого электропривода

оценивается в 3 млрд. долларов

США), а в России пока что ре-

гулируемый электропривод со-

ставляет не более 4% всего рын-

ка приводов. Надо признать, это

совершенно недостаточный по-

казатель, особенно сейчас, когда

главная задача – не увеличение

производства электроэнергии, а

экономичное ее расходование.

Кризис привлек внимание к этой

сфере, о чем свидетельствуют,

в частности, выступления руко-

водителей отечественных произ-

водств привода на второй всерос-

сийской конференции «Силовая

электроника», прошедшей в на-

чале июня 2009 года в москов-

ском выставочном центре «Ин-

фопространство».

Важный вклад в широкое

распространение регулируемо-

го электропривода внесли сво-

ими инновациями последних

лет крупные мировые произ-

водители силовой электрони-

ки. Среди них стоит отметить

International Rectifier с техно-

логией сочетания низковольт-

ных и высоковольтных полупро-

водниковых элементов на одном

кристалле, Texas Instruments и

STMicroelectronics c новыми се-

риями процессоров и контролле-

ров, «заточенных» под управле-

ние приводом, ON Semiconductor

с новыми интеллектуальными

контроллерами шаговых двига-

телей из линейки AMIS. Всю эту

и многую другую продукцию для

управления электроприводом на

российском рынке представляет

компания КОмпэл.

Как всегда, ждем ваших пи-

сем с предложениями и замеча-

ниями.

С уважением,

Геннадий Каневский

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 13, 2009

ОБЗОРЫ

УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ

Андрей Никитин

Решения компании

STMicroelecTronicS

для упРавляемого электРопРивода

Компания STMicroelectronics выпускает широкий спектр электронных

компонентов, предназначенных для построения управляемых электрических

приводов. В статье рассматривается номенклатура наиболее современных

семейств микроконтроллеров STM8S и STM32F, ориентированных на ра-

боту в этих и подобных приложениях, а также особенности их применения в

задачах управления приводами.

ного механизма, выбор варианта режима

работы, коэффициенты автоматическо-

го регулирования и любая другая ин-

формация, необходимая для автоном-

ного управления приводом. В качестве

задающего устройства могут быть ком-

пьютер, другие контроллеры много-

процессорной системы, пульт дистан-

ционного управления и другие, вплоть

до нескольких кнопок или регуляторов

бытового прибора. В первом случае ну-

жен стандартный интерфейс: USB, SPI,

I 2 C. Во втором, оптимальным вариан-

том представляется протокол CAN. Для

пульта дистанционного управление не-

обходим IrDA – канал передачи данных

в инфракрасном диапазоне. Для кнопок

и регуляторов – наличие цифровых ли-

ний ввода-вывода и аналогового ввода.

2. Устройство управления должно

получать информацию от датчиков об-

ратной связи и выдавать управляющие

воздействия на электродвигатель через

силовой драйвер. Поскольку эти процес-

сы проходят непрерывно, то желатель-

но минимизировать вычислительную

нагрузку от этих операций на микрокон-

троллер. Именно для автономной реали-

зации этих задач во многих микропро-

цессорах (не только STMicroelectronics)

используются модули захвата/сравне-

ния/ШИМ (или Capture/Compare/

PWM). При выборе микроконтролле-

ра необходимо соотносить требования

решаемой задачи и параметры таймер-

движение электрическими ма-

шинами, человек постоян-

но сталкивается как в сфере

промышленности и транспорта, так и в

быту. Устройства с электроприводом –

это стиральная машина, вентилятор, ко-

фемолка, пылесос и т.д.

Так как основным средством приве-

дения в движение рабочих машин яв-

ляется электрический двигатель, то, со-

ответственно, основным типом привода

служит электрический привод или со-

кращенно электропривод.

Основные элементы управляемого

электропривода представлены на ри-

сунке 1.

Требуемые значения регулируемых

переменных задаются с помощью зада-

ющего устройства.

На основании этих значений и сиг-

налов обратной связи устройство управ-

ления формирует сигналы на силовой

преобразователь (драйвер), предназна-

ченный для создания регулирующего

воздействия на электродвигатель.

Электродвигатель преобразует элек-

трическую энергию в механическую.

В качестве электродвигателя могут ис-

пользоваться асинхронные и синхрон-

ные двигатели, двигатели постоянного

тока, шаговые двигатели и др.

Механическая энергия от электро-

двигателя передается к исполнительно-

му механизму через механическое пе-

редаточное устройство (механический

редуктор, цепная передача, ходовая

пара «винт-гайка» и т.д.). Оно позволя-

ет, при необходимости, согласовать вы-

ходные параметры двигателя (частоту

вращения и момент) в параметры, тре-

буемые для приведения в движение ис-

полнительного механизма. Например,

преобразовать вращение вала двигателя

в линейное перемещение каретки.

Датчики обратной связи Д1 и Д2

возвращают в устройство управления

информацию, соответственно, о состоя-

нии двигателя и исполнительного меха-

низма. Строго говоря, во многих систе-

мах используется только один из этих

датчиков.

Отметим, что часто под приводом

понимают только устройство управле-

ния, силовой преобразователь и датчик

обратной связи Д1.

Ключевым элементом управляемо-

го электропривода является устройство

управления. В современных приборах

это, как правило, микроконтроллер. Ре-

шения на жесткой логике и аналоговые

решения, популярные до 90-х годов, те-

оретически возможны, но выглядят яв-

ным анахронизмом.

Требования к микроконтроллерам, как

к устройствам управления электро-

приводом

Прежде чем рассматривать линей-

ку микроконтроллеров, рекомендуемых

компанией STMicroelectronics для за-

дач управления приводами, попытаемся

сформулировать некоторые основные

требования к ним:

1. Устройство управления должно

получать от задающего устройства не-

кую информацию. Это могут быть: тре-

буемая скорость движения исполнитель-

Рис. 1. обобщенная схема управляемого электропривода

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 13, 2009

С объектами, приводимыми в

УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ

ОБЗОРЫ

ной системы: количество входов захва-

та, выходов сравнения, выходов сигна-

лов с широтно-импульсной модуляцией,

а также количество и разрядность вну-

тренних таймеров общего назначения.

3. В большинстве случаев при под-

ключении электродвигателя используют

падение напряжения на токовом датчи-

ке. Эти сигналы редко применяются в

контуре управления, но их желательно

использовать в качестве сигналов ава-

рийного отключения. Соответственно,

микроконтроллер, используемый как

устройство управления электроприво-

дом, должен иметь достаточное коли-

чество входов аналогового ввода (АЦП

или аналоговых компараторов).

Рассуждения о том, какая разряд-

ность (8, 16 или 32 бита) и форма пред-

ставления данных (фиксированная или

плавающая точка) оптимальны для за-

дач управления приводом, имеют долгую

историю. В основе алгоритмов автома-

тического регулирования лежит опера-

ция свертки – арифметическая сумма

произведений. По мнению автора, вось-

ми разрядов достаточно для представле-

ния коэффициентов и непосредственно

данных. Но их произведение и свертка,

в целом, уже будут 16-разрядными.

Казалось бы – 8-разрядные микро-

процессоры должны отживать. Но это не

совсем так. Применение отечественными

разработчиками микроконтроллеров для

управления приводами началось в кон-

це 80-х годов. Причем, альтернативы от-

ечественным 8-ми разрядным микрокон-

троллерам 1816ВЕ51 (аналог – Intel8051)

просто не было. Но практически сра-

зу появилась программная библиотека

16-разрядной арифметики, которая под-

ключалась к основной программе при

сборке. Конечно, это было вынужден-

ное решение, но к моменту доступности

16-разрядных микроконтроллеров (се-

редина 90-х) у всех фирм, работавших

«по приводам», был весьма объемный ба-

гаж программных наработок именно для

8-разрядных устройств, отбросить кото-

рый было непросто, да и незачем. Кро-

ме того, в обработке сигналов существует

принцип нормирования данных – если на

входе используются 8-разрядные данные,

но и на выходе должны быть 8-разряд-

ные данные. А тогда разрядность проме-

жуточных данных – внутренний вопрос

алгоритмов обработки. Отсюда вытекает

вывод – в тех задачах управления при-

водами, где достаточно восьми разрядов

для представления данных, оптимальным

представляется применение именно 8-раз-

рядных микроконтроллеров при обяза-

тельном наличии в системе команд опера-

ций 16-разрядной арифметики.

Основная область применения

32-разрядных микроконтроллеров (для

управления приводами) будет рассмо-

трена ниже.

В линейке компании STMicro-

electronics представлены как 8-, так и

16- и 32-разрядные микроконтроллеры.

Остановимся на наиболее современных

их них: 8-разрядном семействе STM8S

и 32-разрядном семействе STM32F.

тов, таблиц пересчета и пр.). Корпуса –

32, 44 или 48 Производительная линия:

Flash-память для хранения программ:

32К, 64К или 128К, ОЗУ данных – 2К,

4К или 6К; EEPROM-память данных –

1К; 1,5К или 2К. Корпуса – 32, 44, 48,

64 или 80 выводов.

Ключевые параметры:

• От семи до десяти каналов 10-ти

разрядного АЦП.

• Таймеры: три 16-разрядных и

один 8-разрядный.

• Модули захвата/сравнения/

ШИМ: по 8-9 входов захвата и выхо-

дов сравнения, 11-12 выходов ШИМ-

сигнала.

• Интерфейсы: SPI, UART, I 2 C.

• Наличие операций 16-разрядной

арифметики.

Отметим следующее: внутренняя

структура периферии отдельных пред-

ставителей этого семейства в целом

идентична, но различное число внешних

выводов накладывает ограничение на ко-

личество универсальных линий ввода/

вывода и одновременное использование

ряда периферийных устройств. То есть

многие линии имеют альтернативное ис-

пользование. Кроме того, для микро-

схем с малым числом внешних выводов

имеется основная и ряд альтернативных

конфигураций периферийных модулей,

переключаемых путем настройки соот-

ветствующих программных регистров.

В целом же таймерная и аналоговая

подсистемы, набор стандартных после-

довательных интерфейсов, достаточное

количество универсальных входов/вы-

ходов позволяют с успехом использо-

вать это семейство для решения задач

управления одним или несколькими

приводами, связанными единым алго-

ритмом работы. Наличие в серии S208

интерфейса CAN позволит интегриро-

вать автономные привода в распреде-

ленные многопроцессорные системы.

Отметим также ожидаемое в бли-

жайшее время появление на рынке эко-

номичной серии S103 с объемом Flash-

памяти 4К и 8К в 20- и 32-выводных

корпусах. Микроконтроллеры этой се-

рии ориентированы на наиболее про-

стые и экономичные приложения.

Семейство 8-разрядных

микроконтроллеров STM8S

Архитектура данного семейства до-

вольно подробно рассмотрена в [1]. Мы

рассмотрим их с точки зрения управления

приводами. Состав семейства и техниче-

ские характеристики входящих в него ми-

кросхем также представлены в [1]. На ри-

сунке 2 приведена карта этого семейства.

В семействе можно выделить два под-

множества: экономичная линия (S105) и

производительная линия (S207 и S208).

Экономичная линия: Flash-память

для хранения программ: 16К или 32К;

ОЗУ данных – 2К; EEPROM-память

данных – 1К (используется для хране-

ния постоянных значений: коэффициен-

Рис. 2. микроконтроллеры семейства STM8S

Семейство 32-разрядных

микроконтроллеров STM32F

Семейство микроконтроллеров

STM32F, в котором используется ARM-

ядро CORTEX-M3, – один из первых

случаев внедрения 32-разрядной ARM-

архитектуры в приложения управления

приводами, где до этого применялись

в основном 8-ми или 16-ти разрядные

микроконтроллеры. Особенности архи-

тектуры этого семейства подробно рас-

сматривались в [2]. В настоящее время

это семейство насчитывает более 50 ми-

кроконтроллеров, технические характе-

ристики которых приведены в [3]. На

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 13, 2009

ОБЗОРЫ

УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ

рисунке 3 приведена карта этого семей-

ства.

Отличительные особенности архи-

тектуры семейства STM32F с точки зре-

ния задач управления приводами (поми-

мо ARM-ядра):

• Flash-память программ – от 16К

до 512К, данных – от 4К до 64К.

• Аналоговая подсистема. Типовым

вариантом является 16 каналов 12-раз-

рядных аналого-цифровых преобразова-

телей. В корпусах с 144 выводами – 21

канал. Большое число каналов позволя-

ет использовать не только аналоговые

сигналы токовых датчиков двигателей,

но и дополнительные сигналы от анало-

говых датчиков различного назначения.

• Таймерная подсистема. Число уни-

версальных таймеров в корпусах с боль-

шим числом выводов увеличено до 6...8.

Число каналов захват/сравнение – до

16...24, линий ШИМ-сигналов – до

18...28. Это позволяет реализовать

управление не одним, а десятью приво-

дами в одном микроконтроллере.

• Интерфейсная система. Добавле-

на дополнительная линия – экономная

с USB. В производительной линии USB

присутствует в обязательном поряд-

ке. Увеличено общее число различных

последовательных портов. Интерфейс

CAN присутствует во многих моделях.

• Резко увеличено число универ-

сальных входов/выходов, что позво-

ляет подключать большое количество

внешних датчиков (аварийных, конце-

вых выключателей и т.д).

Область применения 32-разрядных

микроконтроллеров – прецизионные

приводы, а именно – оборудование для

точной механики, оптических систем, на-

учного приборостроения. Еще 15 лет на-

зад принципу «один двигатель – один

микроконтроллер» альтернативы не

было. Кроме того, ограниченные вычис-

лительные ресурсы не позволяли реа-

лизовывать уже существовавшие алго-

ритмы нетривиального регулирования

(адаптивные, с изменяемыми параметра-

ми и прочие) даже для одного привода.

Разработчики сложных систем стреми-

лись «положить» в один микроконтрол-

лер управление несколькими приводами,

поскольку это избавляло от необходимо-

сти строить многопроцессорную систему.

Но даже если состав периферии позво-

лял это сделать, то камнем преткновения

становился вычислительный ресурс.

Возможности приборов класса

STM32F позволяют не только управ-

лять многими приводами, увязывая ра-

боту в единый алгоритм, но и исполь-

зовать при этом достаточно сложные в

вычислительном отношении алгоритмы

обработки.

Рис. 3. микроконтроллеры семейства STM32F

Рис. 4. Структура привода коллекторного двигателя постоянного тока

основные группы. К первой относятся

одинарные мосты – L6201/02/03, ко-

торые, как правило, используются для

управления однофазными двигателями

постоянного тока. При этом электриче-

ские параметры существенно зависят от

типа используемого корпуса. В табли-

це 1 представлены основные параметры

одинарных мостов.

Ко второй группе относятся двойные

мосты – L6204/05/06/07. Их исполь-

зуют для управления двухфазными дви-

гателями, например, шаговыми. В та-

блице 2 приведены основные параметры

двойных мостов.

В принципе силовой преобразова-

тель – компонент, в значительной сте-

пени зависящий от типа используемого

электродвигателя. В качестве приме-

ра рассмотрим управление коллектор-

ным (щеточным) двигателем постоянно-

го тока. Частота вращения вала такого

двигателя зависит от величины напря-

жения, приложенного к обмоткам, а на-

правление – от его полярности. В насто-

ящее время редко регулируют именно

величину напряжения – используют

сигнал с максимальной амплитудой,

но с широтно-импульсной модуляцией

(ШИМ). Скважность ШИМ-сигнала

определяет частоту вращения. Обоб-

щенная структура привода (полный

мост) коллекторного двигателя постоян-

ного тока приведена на рисунке 4.

Очевидно, что транзисторы по от-

ношению к микросхеме драйвера мо-

гут быть как внешними (при работе с

мощными двигателями), так и интегри-

рованными. В качестве примера рас-

смотрим полномостовой драйвер L6203

компании STMicro с рабочим током до

4 А. Его структура и таблица состояний

представлены на рисунке 5.

Если на вход разрешения ENABLE

подан высокий уровень напряжения, а

состояния входов IN1 и IN2 различны,

Силовой преобразователь (драйвер)

Силовые преобразователи компании

STMicroelectronics можно разбить на две

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 13, 2009

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: