Лекція 24 Використання мікропроцесорів для керування електроприводом
Мікропроцесором (МП) називається програмно-керований пристрій, який здійснює процес обробки цифрової інформації та керування ним і побудоване на одній або декількох великих інтегральних мікросхемах (ВІС). Зупинимося більш докладно на основних ознаках мікропроцесора, сформульованих у цьому визначенні.
Мікропроцесор виконується на основі однієї або декількох ВІС, кожна з яких складається з декількох десятків тисяч простих елементів — транзисторів, діодів, резисторів і конденсаторів. Площа ВІС не перевищує декількох десятків квадратних міліметрів. Таке виконання мікропроцесора визначає його мале енергоспоживання, надійність у роботі, невеликі масу і габарити. При масовому випуску вартість ВІС різко знижується.
Мікропроцесор є елементом керування з гнучким алгоритмом роботи, який визначається закладеною в його пам'ять програмою і може бути змінений. Для кращого розуміння цієї дуже важливої переваги мікропроцесора згадаємо, наприклад, роботу логічних вузлів схем керування ЕП, розглянутих у лекції 23. Для реалізації заданих логічних операцій у цих схемах застосовується визначений набір логічних елементів, які з'єднані між собою відповідним чином. При необхідності зміни алгоритму функціонування таких схем необхідна їх переробка (перемонтаж), яка пов'язана із заміною одних елементів на інші або додаванням нових, зміною схеми їх з'єднання тощо, тобто, іншими словами, потрібно зміна апаратної (елементної) частини схеми керування.
|
|
|
При використанні мікропроцесорів у таких випадках немає необхідності в його заміні – зміна функціонування схеми досягається за рахунок заміни однієї програми на іншу. Очевидно, що такий спосіб більш зручний, простий і дозволяє істотно зменшити час на перенастроювання схеми керування.
Відзначені переваги мікропроцесора викликали бурхливе зростання виконаних на їх основі засобів керування електроприводом у складних виробничих комплексах. Мікропроцесори застосовуються для автоматизації роботи енергетичних систем і окремих енергоблоків, при керуванні автомобілями, у побутовій техніці, для автоматизації наукових досліджень і проектних робіт і в багатьох інших галузях науки та техніки. Про швидке розширення галузей застосування мікропроцесорів свідчить і той і факт, що випуск ВІС для мікропроцесорів у розвинених країнах подвоюється приблизно кожні два роки.
Структурна схема мікропроцесора
В цю схему (рис. 12.4, а) входять арифметико-логічний пристрій АЛП, пристрій керування ПК і реєстровий запам'ятовуючий пристрій РЗП. Ці три основні частини мікропроцесора з'єднані трьома лініями зв'язку – шинами даних ШД, адрес ША і керування ШК.
|
|
|
Арифметико-логічний пристрій призначений для виконання арифметичних і логічних операцій над даними у виді двоїчних чисел. Дані, з якими виконуються ці операції, називаються операндами. Звичайно в операції беруть участь два операнди, один із яких знаходиться в спеціальному регістрі – акумуляторі А, а інший – в регістрах РЗП або пам'яті мікропроцесора. Іноді АЛП називають операційною частиною мікропроцесора.
Рисунок 12.4 – Схема (а) і структура команди (б) мікропроцесора
Реєстровий запам'ятовуючий пристрій містить кілька регістрів загального призначення (РЗП), а також регістрів спеціального призначення, зокрема лічильник команд ЛК. Іноді РЗП називають внутрішньою пам'яттю мікропроцесора.
Керуючий пристрій призначений для вироблення сигналів керування, які забезпечують роботу блоків мікропроцесора. До складу ПК входить регістр команд РК, у якому фіксується команда, яка виконується в даний момент.
Як уже відзначалося, робота мікропроцесора забезпечується програмою, яка записана в його пам'яті.
Програма
Послідовність команд, які забезпечують реалізацію заданого алгоритму обробки інформації, утворює програму. Відзначимо важливу особливість роботи мікропроцесора, яка полягає в тому, що команди програми виконуються в покроковому режимі суворо в записаній послідовності.
|
|
|
Кожна команда програми містить інформацію про те, що потрібно робити, з якими операндами і за якою адресою помістити результат операції. Для цього команда має структуру, наведену на рис. 12.4, б. Перша частина команди містить код операції КОП, тобто інформацію про характер виконання операції над операндами (наприклад, додавання, логічне порівняння тощо). Друга частина команди – адресна – містить адреси розташування операндів, з якими виконується ця операція, і адреса регістра або комірки пам'яті, куди повинен бути поміщений результат.
Команди, адреси та операнди мікропроцесора записуються двоїчними багаторозрядними числами, які представляються, як і в усіх цифрових пристроях, комбінацією двох рівнів напруг – високого та низького. Перші мікропроцесори оперували з чотирирозрядними числами, а сучасні – з восьми- і шістнадцятирозрядними числами. Використання в мікропроцесорі багаторозрядних двоїчних чисел дозволяє підвищити їхню швидкодію та точність роботи.
Програма (сукупність команд) мікропроцесора може бути записана декількома способами. Перший з них передбачає запис команд безпосередньо у виді двоїчних чисел, тобто у виді так називаного машинного коду, «зрозумілого» для цього мікропроцесора.
|
|
|
Такий спосіб складання програм у більшості випадків є малозручним і вимагає великих витрат часу, особливо при створенні великих програм.
Більш зручним є використання мов програмування. Мови низького рівня типу Ассемблер, як засіб спілкування з мікропроцесором, містять у собі кілька десятків типових команд, представлених в умовних мнемокодах. Наприклад, мова цього типу для вітчизняного восьмирозрядного мікропроцесора типу К 580 містить у собі близько 80 типових команд – арифметичних, логічних, пересилання даних, передачі керування та багато інших. Відзначимо, що та чи інша мова використовується тільки на етапі програмування, а оперує мікропроцесор при своїй роботі як і раніше з двоїчними числами.
Ще більші можливості та зручності користувачу мікропроцесорів схемами керування представляють мови програмування високого рівня ФОРТРАН ПАСКАЛЬ, БЕЙСИК, СИ та їх різновиди (діалекти). Складені на цих мовах програми далі транслюються (переводяться) за допомогою спеціальних програм, які одержали назву крос-програм, у систему машинних кодів, «зрозумілих» для мікропроцесора.
Представлений на рис. 12.4, а мікропроцесор не може бути безпосередньо використаний для керування ЕП (або будь-яким іншим об'єктом). Для виконання функції керування схема мікропроцесора повинна бути доповнена цілою низкою блоків, до числа яких відносяться пристрої пам'яті, узгодження з іншими блоками ЕП, вводу-виводу, генератора тактових імпульсів.
Мікропроцесорна система
Сукупність мікропроцесора і зазначених пристроїв утворює мікропроцесорну систему (МПС), структурна схема якої наведена на рис. 12.5.
До складу МПС разом із мікропроцесором у загальному випадку входять пристрої пам'яті оперативної (оперативний запам'ятовуючий пристрій ОЗП) і постійної (постійний запам'ятовуючий пристрій ПЗП); інтерфейсний пристрій ІП; пристрій сполучення ПС із зовнішніми об'єктами; зовнішні запам'ятовуючі пристрої ЗЗП; пристрої вводу-виводу інформації ПВВ; загальна шина ЗШ, яка включає в себе ШД, ШК і ША.
Крім того, на схемі рис. 12.5 позначено: СЧЕП — силова частина ЕП (перетворювач + двигун + механічна передача). Розглянемо коротке призначення кожного з пристроїв МПС.
Пам'ять ОЗП і ПЗП служить для розміщення даних програми підлягаючих обробці, відповідно до якої ця обробка повинна вестися і результатів обробки. Для розширення можливостей МПС, крім ОЗП і ПЗП, можуть використовуватися ЗЗП, до числа яких відносяться накопичувачі інформації на гнучких магнітних дисках, магнітній стрічці, касетні накопичувачі.
Пристрої вводу-виводу інформації (ПВВ) призначені для забезпечення взаємодії МПС і людини в зручній для неї формі. До пристроїв вводу-виводу відносяться наприклад, клавіатура пульта керування МПС, принтер, графобудівники, пристрої візуального представлення інформації (дисплеї) тощо.
Пристрої сполучення ПС забезпечують зв'язок МПС з різними зовнішніми (периферійними) пристроями. Вони можуть мати найрізноманітніші схемні й елементні реалізації. Зокрема, для зв'язку МПС із датчиками Д координат ЕП і блоками схеми керування ЕП (СКЕП) широко використовуються аналого-цифрові (АЦП) і цифроаналогові (ЦАП) перетворювачі електричних сигналів, позначені на схеми ПС1 і ПС2.
Рисунок 12.5 – Структурна схема МПС
Пристрої сполучення ПСЗ і ПС4, призначені для зв'язку МПС з ЗЗП і ПВВ, представляють собою в найпростішому випадку буферні (проміжні) регістри пам'яті для збереження даних, переданих з ЗШ на зовнішні пристрої або навпаки. ПС, які одержали назву контролерів (мікроконтролерів), виконують більш складні функції та їх робота може програмуватися.
Пристрої сполучення ПС5 виконують узгодження роботи даної МПС з іншими МПС і ЕОМ. Пристрої такого типу одержали назву адаптерів.
Інтерфейсний пристрій ІП — це сукупність електронних схем, шин і алгоритмів (програм), яка забезпечує керування передачею інформації між мікропроцесором, пам'яттю та зовнішніми пристроями, до яких відносяться ПВВ, ЗЗП і Д. Іншими словами, ІП забезпечує необхідну взаємодію МПС із зазначеними зовнішніми пристроями при зміні режиму її роботи. Типовим прикладом є перехід від виконання однієї програми до виконання іншої при надходженні від якого-небудь зовнішнього пристрою сигналу керування. Такий перехід одержав назву переривання. Після завершення програми, яка перериває, ІП забезпечує повернення МПС до роботи за перерваною програмою. Прикладами ІП є таймер, блок прямого доступу до пам'яті, блок організації переривань.
Відзначимо, що сукупність мікропроцесора, пам'яті та інтерфейсу, який включає ІП, ПС і ЗШ, одержала назву мікроЕОМ.
За призначенням МПС і мікроЕОМ можна розділити на універсальні та спеціалізовані.
До універсальних відносяться МПС і мікроЕОМ, здатні забезпечувати як керування різними об'єктами (у тому числі ЕП), технологічними процесами, промисловими підприємствами і т.д., так і виконувати різні обчислювальні операції. Для виконання цих функцій МПС має широкий набір зовнішніх (периферійних) пристроїв, показаних на рис. 12.5. Звичайно при конкретному застосуванні частина цих пристроїв може бути не задіяна, тобто універсальні МПС і мікроЕОМ мають визначений елементний надлишок.
Прикладами вітчизняних МПС і мікроЕОМ цього типу можуть служити універсальні ЕОМ типів «Електроніка-60», «НЦ-80», «С-5», уніфіковані МПС типів МС УВ7 В7 /В9), СМ1800 і багато інших.
Спеціалізованими називаються МПС, які вже на стадії свого створення орієнтовані на конкретні застосування – для схем керування ЕП верстата або робота, для побутових приладів або дитячих ігор, для вимірювальних систем тощо. У зв'язку з такою орієнтацією МПС цього типу містять тільки ті пристрої та мають таке програмне забезпечення, що забезпечують виконання цих, заздалегідь визначених функцій. Прикладом МПС цього типу служить комплекс КТС ЛИУС-2.
Прикладом реалізації спеціалізованої МПС є програмований контролер.
Для кращого розуміння функцій, які виконуються програмованим контролером, і особливостей його структури звернемося до схем рис. 10.23, які реалізують різні логічні операції при керуванні ЕП – заборону вмикання одного контактора при увімкненому іншому, дозвіл вмикання двигуна при натисканні кнопки керування та відсутності заборонного сигналу захисту тощо. Подібні схеми одержали назву «жорсткої (або монтажної) логіки», тому що здійснення заданих логічних операцій забезпечується визначеними наборами елементів і зв'язками між ними. При реалізації складних законів керування (20 — 30 елементів і більше) схеми з «жорсткою логікою» мають великі масу і габарити, зростає їх енергоспоживання, ускладнюється діагностування їхньої роботи і відповідно ремонт. І нарешті, самий істотний недолік таких схем, як вже відзначалося, складається в складності їх переробки (перемонтажу) при введенні нових функцій або їх частковій зміні.
Альтернативне, технічно та економічно більш доцільне рішення при створенні складних схем керування ЕП дає застосування схем із гнучкою логікою, реалізоване за допомогою програмованого контролера як різновиду МПС. Застосування програмованого контролера дозволяє уникнути всіх тих недоліків, які характерні для схем із жорсткою логікою і, у першу чергу, відсутність гнучкості при реалізації складних законів керування. Програмований контролер – це спеціалізована МПС, призначена для обробки логічних вхідних сигналів, їх перетворення та вироблення керуючих впливів на ЕП і працююча за наперед заданою програмою. Процес обробки інформації, яка надходить, і вироблення керуючих впливів здійснюється за програмою та відбувається в реальному масштабі часу.
До складу програмованого контролера (рис. 12.6) входять запам'ятовуючий пристрій ЗП, в якому міститься програма його роботи; логічний процесор ЛП (АЛП), який здійснює логічні операції над сигналами, які послідовно вводяться в нього; комутатори вхідних К1 і вихідних К2 сигналів; пристрої сполучення програмованого контролера із вхідними ПС1 івихідними ПС2 сигналами; пам'ять П, у яку надходять результати логічних операцій.
Вхідні сигнали uвх.1, uвх.2, …, uвх.n, які містять у собі інформацію про хід технологічного процесу, режимах роботи окремих частин ЕП, стану захисту тощо, надходять на вхід ПС1, який забезпечує їх гальванічну розв'язку і формування з них сигналів, які відповідають за величиною та формою, використовуваним у даному програмованому контролері.
Рисунок 12.6 – Структурна схема програмованого контролера
Сформовані в такий спосіб сигнали надходять на вхід К1, який послідовно подає на ЛП той з них, адреса якого міститься в черговій команді, яка надходить із ЗП.
Після виконаних ЛП перетворень, які також визначаються закладеною в ЗП програмою, сигнали через комутатор К2 надходять у регістри пам'яті П і далі через ПС2 на вихід програмованого контролера.
Відзначимо, що послідовний принцип виконання операцій збільшує час обробки інформації. Однак оскільки час виконання однієї окремої операції складає всього лише кілька мікросекунд (мільйонних часток секунди), то швидкодія програмованого контролера у більшості випадків виявляється цілком достатньою.
У якості вхідних допускаються сигнали напругою від 5 до 250 В постійного та змінного струму, загальне число яких може досягати тисячі та більше. Вихідні пристрої сполучення ПС2 звичайно будуються на основі оптронних тиристорів, які забезпечують гальванічну розв'язку вихідних кіл і дозволяють керувати досить потужними виконавчими пристроями – реле, контакторами, котушками електромагнітів тощо.
В теорії цифрових систем керування показується, що будь-які логічні перетворення можуть бути виконані за допомогою найпростіших логічних операцій І, АБО, НІ. Це положення визначає простоту програмного забезпечення роботи програмованого контролера, доступного в тому числі персоналу, який не має спеціальних знань в галузі програмування МПС. Типовими командами програмованого контролера є команди завантаження, логічні, присвоєння, керування циклом і спеціальні. Система команд має відповідне мнемонічне позначення.
У нашій країні застосовуються вітчизняні програмовані контролери типів МІКРОДАТ, РЕМИКОНД, ЛОМИКОНД, ПК2, Б9601 та багато інших.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1461; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!