Быстрое прототипирование алгоритмов управления на КПМ РИТМ: трехфазный инвертор

В этом примере показано, как использовать две машины реального времени КПМ РИТМ в задачах быстрого прототипирования алгоритмов управления в случае, если нет реального объекта управления. Объектом управления выступает модель трехфазного автономного инвертора. Инвертор управляется ШИМ-сигналом, который формируется системой управления по току в DQ-координатах. Пример содержит четыре модели:

1. converter_with_control_system.engee — модель объекта управления с системой управления, которая отлажена в Engee.

2. converter_for_ritm_1.engee — модель объекта управления для запуска на КПМ РИТМ №1. Приём управляющих сигналов производится посредством модуля цифровых входов GP-ID-4x . Передача измерений через ЦАП модуля GP-AD-24.

3. control_system_for_ritm_2.engee — модель системы управления для запуска на КПМ РИТМ №2. Приём измерений производится посредством АЦП модуля цифровых входов GP-LC-4x. Передача ШИМ-сигнала через цифровые выходы модуля GP-LC-4x.

4. converter_with_discrete_control_system.engee — модель объекта управления с дискретной системой управления, из которой генерируется Си-код.

   

Введение

Инверторы играют важную роль в современных электроэнергетических системах, т.к. они являются главным звеном для интеграции источников постоянного напряжения (например, солнечные панелей и накопителей энергии) в сети. Для их корректной работы необходимо разрабатывать системы управления, которые отвечают требованиям безопасности и надежности. Данный пример демонстрирует эффективный и итеративный метод разработки систем управления - быстрое прототипирование.

Традиционный путь, который показан в примере с шаговым двигателем (установка прототипа сразу на реальный объект) в нашем случае с мощным трехфазным инвертором практически неприменим.

• Он небезопасен (риск повреждения оборудования при ошибках управления);

• Дорог (требует готовой силовой части и полной схемы подключения);

• Неудобен для отладки (сложно изолировать и воспроизводить сценарии).

Вместо этого предлагается рассмотреть альтернативный подход, который заключается в следующем:

Разделить систему на две части:

• Объект управления (инвертор и сеть) моделируется на одном КПМ РИТМ;

• Система управления (ШИМ, DQ-регуляторы и логика) работает на другом КПМ РИТМ как быстрый прототип.

Модель инвертора с системой управления

Исходная модель converter_with_control_system.engee содержит модель трехфазного автономного инвертора с системой управления на базе ШИМ-сигнала, который формируется системой управления по току в DQ-координатах. Модель служит для отладки вне реального времени (простой запуск в Engee):

Принципы системы управления инвертором

Когда мы управляем инвертором, наша цель — контролировать ток, который он подаёт в нагрузку или в сеть. Но ток в трёхфазной системе постоянно меняется — он синусоидальный, управлять им напрямую сложно. Чтобы упростить задачу, мы используем математический «трюк»: переводим трёхфазные токи из вращающейся системы координат (ABC) в неподвижную систему DQ:

В этой системе токи легко сравнивать с уставкой и регулировать при помощи ПИ-регулятора.

После того, как мы "отрегулировали" значения в DQ-системе, возвращаемся обратно во вращающуюся ABC и формируем ШИМ-сигнал для управления шестью силовыми ключами в составе трехфазного инвертора:

Результаты симуляции:

Видно, что значения Id и Iq со временем приходят к заданным в модели уставкам.

Модель объекта управления для КПМ РИТМ №1

converter_for_ritm_1.engee — модель объекта управления для запуска на КПМ РИТМ №1. Приём управляющих сигналов производится посредством модуля цифровых входов GP-ID-4x . Передача измерений через ЦАП модуля GP-AD-24. Шаг расчета 50 мкс.

Модель системы управления для КПМ РИТМ №2

control_system_for_ritm_2.engee — модель системы управления для запуска на КПМ РИТМ №2. Приём измерений производится посредством АЦП модуля GP-LC-4x. Передача ШИМ-сигнала через цифровые выходы модуля GP-LC-4x. Шаг расчета 50 мкс.

Запуск моделей на КПМ РИТМ

Стенд состоит из КПМ РИТМ "Мобильный", КПМ РИТМ "Производительный" и клеммников для соединения плат приема-передачи. Дополнительно, для контроля передаваемых измерений, используется осциллограф.

Запуск модели в реальном времени:

Генерация Си-кода из системы управления

Отдельным этапом после отладки на программно-аппаратных комплексах реального времени может стать генерация Си-кода из модели для дальнейшего развертывания на микроконтроллере. Генерации Си-кода посвящен отдельный раздел документации, где указан список блоков, из которых автоматически генерируется код.

converter_with_discrete_control_system.engee — модель, которая эквивалентна по результатам симуляции исходной модели converter_with_control_system.engee, но при этом её система управления полностью пересобрана с учетом особенностей описанных выше.

Как видно из скриншота, модель системы управления подсвечивается зеленым цветом, а значит содержит в себе блоки, работающие на одной частоте D1.

Теперь мы можем нажать правой кнопкой мыши по блоку и сгенерировать Си-код для подсистемы, который может быть использован для прошивки микроконтроллера (в данном примере не рассматривается этот процесс).

Заключение

В примере мы использовали подход быстрого прототипирования алгоритмов управления с помощью комплексов полунатурного моделирования РИТМ и инструментов автоматической генерации Си-кода Engee. Исходная модель системы управления и объекта была разработана и отлажена в Engee. Далее, модель разделена на две части: модель объекта управления и модель системы управления. Каждая из моделей запущена на отдельном КПМ РИТМ. После получения положительных результатов отладки в реальном времени, сгенерирован Си-код из модели системы управления.