VME总线嵌入式交流调速控制系统3

VME总线嵌入式交流调速控制系统 3 李晓东 王京 张勇军 李静 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心 摘要:控制系统是交流电机控制的核心。为了提高交流电机控制性能,将基于VME总线的嵌入式系统 应用到交流调速系统中,控制器硬件采用美国GE公司的VMIC高性能控制器;软件平台采用嵌入式实时操 作系统VxWorks ,保证了控制系统的稳定性、 快速性与实时性。实验结果表明,该系统能够实现高性能的交 流电机控制。 关键词:VME总线 嵌入式系统 交流传动 VxWorks Embedded AC Drive System Based on VME Bus Li Xiaodong Wang Jing Zhang Yongjun Li Jing Abstract :The control system is the core of AC drive system. In order to improve the performance of AC motor control , the embedded system based on VME bus was applied to AC drive system. The hardware plat2 form adopts VMIC high performance controller , which is made by America GE Corporation. The control soft2 ware is based on VxWorks , which is a powerful real time operating system. The VME bus control system hardware and embedded real time operating system software ensure the stability ,rapidity and real time feature of the AC drive system. The experimental results prove that this system can realize the high performance of AC motor control. Keywords :VME bus embedded system AC drive VxWorks 1 引言 随着电力电子技术、 计算机技术、 自动控制技 术的发展,交流调速系统得到了广泛的应用1。 目前交流调速的控制算法已由压频比控制和转差 频率控制等标量控制算法发展到磁场定向控制 (FOC)和直接转矩控制(DTC) ,智能控制算法在 交流调速系统中的应用也得到了广泛的研究2。 交流调速控制理论的发展呼唤着更快、 更稳定的 控制系统以实现高性能的控制算法。嵌入式系统 的发展为工业过程控制,尤其是对实时性和可靠 性要求高的对象提供了强有力的控制工具。本文 设计了基于VME总线的嵌入式交流调速控制系 统,给出了控制器的设计方案,并介绍了Vx2 Works下多任务和精确控制周期的实现方法。 控制器采用目前流行的开放式VME总线结构, 以美国GE公司的VMIC单板计算机作为核心控 制器,采用嵌入式实时操作系统VxWorks为控 制系统软件平台。 2 系统硬件介绍 2. 1 整体介绍 此研究以北京科技大学350 mm热轧机主传 动改造项目为背景。此项目是北京科技大学 “十 五” 、“211工程” 建设项目的一部分,该项目将原 有110 kW直流主传动系统扩容为200 kW交流 调速系统。改造后,交流调速主传动系统采用交 直交三电平主回路结构,系统由200 kW ,690 V 异步电动机1台;整流变压器1台;整流变压器前 断路器1个;预充电回路接触器1个;预充电回路 电阻3个;主回路接触器1个;主回路熔断器3 个;整流逆变电路1套;输出电抗器1台,通用高 性能控制器VMIC 1套等部分组成。系统的整体 结构如图1所示。 3 VME总线嵌入式交流调速控制系统电气传动 2007年 第37卷 第11期 3国家 “十五” 、“211工程” 基金项目资助(010301) 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1 系统的整体结构图 2. 2 控制系统硬件组成 采用美国GE公司基于VME总线的多CPU 综合机箱VMIC作为控制器,包括主CPU板、 智能 计数器/控制器、 模拟量输入输出板、 数字量输入输 出板、Profibus网卡板等。硬件配置如图2所示。 图2 VMIC控制器组成图 各部分的功能介绍如下: 1) 机箱。采用GE公司的21槽VME64X背 板机箱,数据线宽和地址范围扩展到64位,传输 带宽高达160 MB/ s ,增加了总线锁定周期,增加 了第1插槽探测等新功能。 2) CPU模板。交流调速控制系统非常复杂, 要处理的任务很多,靠1个处理器很难完成,需采 用多处理器系统。采用的控制系统由3块CPU 完成系统的控制任务。 处理器1 :该CPU型号为VMIVME7810 ,采 用1.8 GHz Pentium M处理器;配有1G SDRAM和 512M Flash卡,使用先进的Intel E7510芯片。 该CPU主要完成控制器的整体协调控制,完成 开停机条件检查及控制;设备运行状况监视;与基 础自动化级通信等任务。 处理器2 :该CPU型号为VMIVME7050 ,它 是基于PowerPC体系结构的高性能控制器,采用 733 MHz处理器750 GX ,配有512 M带ECC检 测的系统内存和512M Flash卡。主要用于完成 逆变侧PWM控制。 处理器3 :采用与处理器2相同配置的CPU , 主要用于完成整流侧PWM控制。 3) 智能计数器/控制器(ICC)。VMIVME2540 用于实现PWM触发脉冲的生成和转速测量。 VMIVME2540可为VME总线系统提供高精度 数字测量和函数发生器功能。它的周期/脉冲序 列发生功能发出的脉冲循环速率为0. 003 8 Hz 2. 5 MHz ,周期范围为262. 1 s400 ns ,脉宽范 围为131 s200 ns ,完全能够满足高性能PWM 控制的要求。VMIVME2540的频率测量范围为 1. 1610 - 3 Hz2. 5 MHz ,完全能满足交流调速 系统的测速要求。 4) 模拟量输入模板。高性能的交流调速系统要 求快速、 精确的电流、 电压采样。VMIVME3123为 16位精度,16通道同步采样保持的模拟量输入模 板。该模板采用100 k同步转换速率,配合16位 采样精度,实现了快速、 高精度的电流、 电压检测。 5) 数字量I/ O模板。采用1块32通道输入 32通道输出数字量I/ O模板VMIVME2536 ,用 于合分闸、 启停、 急停、 接触器、 断路器、 指示灯等 数字量信号的输入输出。 6) 通讯模板。系统采用Woodhead公司的 Profibus模板SSTPB3VME与基础自动化 级PLC之间通讯。 3 控制系统软件介绍 为了保证交流调速控制系统的实时性要求, 采用嵌入式实时操作系统VxWorks作为CPU 板操作系统平台。VxWork采用微内核结构,具 有1个高性能的操作系统内核Wind ;具有较好的 兼容性和良好的移植性,支持包括X86系列、 PowerPC系列、ARM系列、MIPS系列等几乎所 有流行的CPU ,可适用于不同的硬件平台3。 VxWorks提供了便捷、 高效的交叉开发工具 Tornado ,采用C/ C+ +语言作为开发语言,使得 开发应用程序非常方便。控制器软件设计中的关 键技术包括任务的划分及任务优先级的设置、s 级控制周期的实现。 1) 划分及设置任务的优先级。嵌入式实时系 统中,任务的合理划分和优先级的合理设置,对系 统的实时性至关重要。通过划分任务和设定任务 优先级使各任务按不同的周期运行。主要任务优 4 电气传动 2007年 第37卷 第11期VME总线嵌入式交流调速控制系统 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 先级有:在CPU板上要求响应速度最快的1级循 环任务(包括实时性数据的采集和输出、PWM控 制算法等 ) ;2 级循环任务(CPU间的通讯、 启停 控制等)。最高优先级的1级循环按20s的周 期执行;2级循环按1 ms周期执行。任务间通过 优先级和信号量进行切换。3块CPU模板的任 务划分如图3所示。CPU1与基础自动化级的通 讯通过Profibus网卡完成,3块CPU之间的通讯 通过VxWorks的共享内存(VXMP)组件实现。 图3 CPU任务划分 2) s级控制周期的实现。VxWorks系统提 供的延时机制主要有taskDelay () ,Watchdog和 时间戳。但是上述机制都是基于时钟节拍中断 的,一般时钟节拍设置为60100次/ s ,这样得到 的循环周期在10 ms左右,如果将时钟节拍设置 为大于100次/ s ,则整个系统会因为不停地进行 时钟中断切换而无法实时地处理任务,达不到系 统的要求。借助PowerPC优良的硬件特性可以 得到精确的计时。PowerPC有4个实时时钟,其 中Timer1用于系统时钟,处理系统级任务,时钟 频率一般不能太高; Timer2用于辅助时钟,可以 利用它得到精确的定时。利用sysAuxClkRate Set() 函数将辅助时钟的时钟频率设为50 000次/ s , 可以得到20s的精确时间,能完成矢量控制或 直接转矩控制的高性能控制。 4 实验分析 在此控制器平台上开发高性能的矢量控制算 法,用于控制1台额定功率为200 kW、 额定电压 为690 V的异步电动机。给定速度为100 rad/ s , 启动转矩限定为500 Nm。图4为电动机速度 曲线,0. 4 s时电机转速第1次到达给定转速,0. 6 s后电动机转速稳定在给定转速值;图5为电动 机电磁转矩波形,起初以最大转矩500 Nm启 动,当电动机的转速第1次到达给定转速时转矩 开始下降,当转矩下降到0 Nm时转速开始下 降,转速稳定在给定转速后电磁转矩在0 Nm 上下波动;图6为稳态时的a相电流波形,电流波 形接近正弦波。 图4 电机转速曲线 图5 电动机电磁转矩波形 图6 稳态时a相电流波形 5 结束语 本文介绍的基于VME总线的嵌入式控制系 统,是一种可扩展的、 快速的、 稳定的实时控制系 统。实验结果表明,所设计的控制系统完全符合 高性能交流调速系统对控制器在实时性、 快速性 和可靠性等方面的要求。这种高性能控制器稳定 可靠,能快速响应各种控制算法,可以在20s的 控制周期完成交流电机矢量控制算法。该系统有 广泛的应用前景。 参考文献 1 李永东.交流电机数字控制系统M.北京:机械工业 出版社,2002 2 李华德.交流调速控制系统M.北京:电子工业出版 社,2003 3 罗国庆. VxWorks与嵌入式软件开发M.北京:机械 工业出版社,2003 4 于义庆,李正熙,彭开香等.嵌入式液压控制器的实