Implementierung einer Drehzahlregelung für umrichtergespeiste Asynchronmaschinen mit einem Mikrocontroller E-Book
Nikias Klohr
18,99 €
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Studienarbeit aus dem Jahr 2007 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,0, Universität Karlsruhe (TH) (Elektrotechnisches Institut (ETI)), Sprache: Deutsch, Abstract: In der vorliegenden Studienarbeit wurde aufbauend auf bestehender Umrichterhardware und einem U/f-Kennlinien Programm zunächst eine Rampenregelung abhängig vom Motorstrom und der Zwischenkreisspannung entwickelt. Der Aussteuergrad der Motorsteuerung wird dynamisch an die Zwischenkreisspannung angepasst. Damit ist eine reine Steuerung ohne Drehzahlrückführung möglich. Eine Inkrementalgeberauswertung mit dem Ziel der Minimierung des Quantisierungsfehlers wurde realisiert. Der Rampenregelung wurde eine Drehzahlregelung mit Vorsteuerung überlagert. Damit wurde eine schnelle Schlupfausregelung erreicht. Die Mikrocontroller Software wurde mit dem Ziel möglichst hoher Modularität erstellt. Dadurch stehen nun alle entwickelten Module auch für andere Arbeiten auf PIC Basis mit einer einfachen Integrationsmöglichkeit zur Verfügung. Ein Windows Computerprogramm für die Parametrisierung und Messwertanzeige im laufenden Betrieb wurde entwickelt und während der Tests ausgiebig verwendet. Es wurden Umfangreiche Dynamik- und Belastungstests durchgeführt und ausgewertet. Die erreichte Dynamik ist gut, die Kühlung der Leistungshalbleiter ist für einen Dauerbetrieb an der Leistungsgrenze allerdings ungenügend. Damit steht nach dieser Studienarbeit ein dynamischer, bei Bedarf drehzahlgeregelter, Umrichter mit PC-Messwertanzeige und Parametrisiermöglichkeit zur Verfügung.
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Veröffentlichungsjahr: 2008
Ähnliche
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Bearbeiter: cand. mech. Nikias Klohr
Abgabetermin: 9. Februar 2007
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„Für viele Anwendungen in der Antriebstechnik ist eine variable Einstellung der Drehzahl erforderlich. Durch die Anwendung von Stromrichterschaltungen, können diese Antriebsaufgaben auch von Drehstrommaschinen wie z.B. die Asynchronmaschine übernommen werden. Im Rahmen dieser Studienarbeit soll eine Drehzahlregelung für eine Asynchronmaschine implementiert werden. Dabei soll für die Ansteuerung des Stromrichters ein PIC-Mikrocontroller eingesetzt werden, der durch seine spezielle Ausstattung besonders für solche Aufgaben geeignet ist. Das zu erstellende Programm soll außerdem eine Kommunikation zwischen dem Stromrichter und einem PC ermöglichen, über den sich dann der Antrieb steuern und einrichten lässt.“
Es soll also auf Basis der Hard- und Software aus der Diplomarbeit von Dipl.-Ing. Frank Becker sowie der Studienarbeit von Dipl.-Ing. Alexander Scherer ein Programm zur Ansteuerung einer Asynchronmaschine mit Drehzahlregelung realisiert werden, welches über einen PC konfigurierbar ist.
1.2 Hardware
Die Hardwarebasis setzt sich aus einer Mikrocontrollerplatine (PIC18F4431) mit Bedienteil, einer Leistungselektronikplatine mit IGBT, und einem Brückengleichrichter-Einspeise-Modul mit Brems-Chopper aus der Studienarbeit von Dipl.-Ing. Alexander Scherer zusammen. Die Hardware war getestet und es bedurfte nur kleiner Veränderungen. Da die Aufgabenstellung keine Hardwareentwicklung beinhaltete, ging es auch darum, die Grenzen der bestehenden Hardware auszuloten. Eine genaue Beschreibung der Hardware findet sich in [Beck] und [Scher].
Als Eingabeschnittstellen waren zwei Taster, ein Schalter und ein Potentiometer vorhanden. Für die Ausgabe von Status und Fehlermeldungen wurde eine grüne und eine rote LED vorgesehen, für die Kommunikation mit dem PC eine RS232 Schnittstelle.
Die Hardware erlaubt eine Messung der Motorströme und der Zwischenkreisspannung. Darüber hinaus ist eine Auswertung der Motordrehzahl über einen Inkrementalgeber vorgesehen. Als Zeitbasis wurde der Takt des Mikrocontroller, 40MHz eines Quarzes, verwendet.
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Als Basis für die Programmierung des Mikrocontrollers stellte Dipl.-Ing. Jörg Weigold ein experimentelles Programm in C zur Verfügung. Das Programm bestand aus einem Rumpf, der bereits die Initialisierung der Komponenten des Mikrocontrollers, die Analog-Digitalwandlung der Messwerte, und die Steuerung der Leistungschalter beinhaltete. Das vorhandene Programm ermöglichte eine einfache Steuerung des Motors, ließ aber viel Potential der Hardware ungenutzt. Bei der Weiterentwicklung konnte insbesondere bei der Initialisierung der Komponenten Vieles aus dem bestehenden Programm übernommen werden, vor allem das grundlegende Konzept der Interrupt-Ebenen.
Die Komplexität der Aufgabenstellung implizierte die Verwendung einer hohen Programmiersprache - die Wahl fiel auf C. Als C-Compiler sollte der SDCC (Small-Device-C-Compiler)Iverwendet werden. Das Programmieren des Mikrocontrollers wurde mit der Microchip-Software MPLab durchgeführt. Als Entwicklungsumgebung wurde ECLIPSEIImit CDTIIIgewählt, diese unterstützt C, war bereits bekannt, und erlaubte eine einfache Einbindung des SDCC per Makefile.
1.4 Vorarbeiten
Da bereits Erfahrung mit der Programmierung von 8Bit-ATmega-Mikrocontrollern von Atmel vorhanden war, gelang der Einstieg mit dem ähnlichen 8Bit-PIC von Microchip problemlos. Allerdings war die Entwicklungsumgebung nicht zufriedenstellend. Ein mit Atmel vergleichbar komfortables und mächtiges Paket konnte nicht gefunden werden. Als Compiler sollte mit dem SDCC ein Compiler verwendet werden, der zwar frei verfügbar ist, allerdings als Opensource-Projekt nicht ausschließlich für den PIC entwickelt wird und nicht ganz ausgereift ist. Dies führte zu einigen Problemen, die mit einem Standardcompiler wie z.B. dem GCC nicht aufgetreten wären. Der SDCC lässt sich unter Beachtung einiger Besonderheiten aber sehr wohl produktiv einsetzten und ist als kostenloser Compiler eine echte Alternative zu den Compilern von Microchip. Für den interessierten C-Entwickler finden sich im Kapitel „Nützliche Hinweise“ einige Tips für den Umgang mit dem SDCC für PIC. Das bereits vorhandene Steuerungsprogramm von Dipl.-Ing. Weigold half, die Grundlegenden Prinzipien beim Umgang mit dem PIC mit 2 Interrupt-Ebenen zu verstehen.
