Основной тенденцией в развитии промышленности является создание нового, высокопроизводительного  технологического оборудования и агрегатов, позволяющих повысить эффективность производства, и большую роль в этом играет  автоматизированный привод.

В связи с тем, что электродвигатели потребляют достаточно большое количество энергии, и стоимость самой энергии постоянно растёт, к устройствам, использующим электродвигатели, предъявляются возрастающие требования  по улучшению энергетических и технологических показателей, значительному расширению диапазона мощностей и рабочих скоростей, увеличению быстродействия, перегрузочной способности.

К числу новых подходов, применяемых в системах управления современными электроприводами,  относится проектирование этих систем на основе микроконтроллеров с независимыми от ядра периферийными блоками, что позволяет  уменьшить задержки и энергопотребление, повысить эффективность и безопасность работы системы. Периферия, независимая от ядра, снижает сложность  разрабатываемой системы и позволяет отказаться от многих внешних аппаратных и программных компонентов. Она разгружает ядра на критических секциях алгоритма управления, уменьшает нагрузку на центральный процессор,  ускоряет реакцию и увеличивает точность.

          Такими характеристиками обладают микроконтроллеры семейства PIC16F161X  компании Microchip.

          Важной особенностью микроконтроллеров данного семейства  является наличие ускорителя математических вычислений (Math ACC) с пропорционально-интегрально-дифференциальным модулем (Proportional-Integral-Derivative, PID). Это позволяет независимо от ядра выполнять вычисления, включая 16-разрядные математические вычисления, необходимые для формирования управляющего сигнала в системах автоматического управления с обратной связью.

          Входящий в состав микроконтроллеров математический акселератор является  математическим модулем, предназначенным для выполнения  различных операций, в большинстве случаях выступая как ПИД- контроллер, который использует текущую ошибку (пропорциональная составляющая), сумму текущей и всех предыдущих ошибок (интегральная), и разницу между текущим и предыдущим изменением (дифференциальная), чтобы исправить их и обеспечить стабильность в системе. Он обеспечивает обратную связь в системе через ряд повторов, используя ошибки, чтобы рассчитать новый вход контроллера [1].

Для реализации ПИД — модуля необходимо определить 3 основных  параметра: заданное значение, входное значение модуля,  а также параметры  К1, К2 и К3.

 Заданное значение определяется пользователем  на основе разрабатываемой программы и записывается в регистр PIDxSET.

 Входное значение ПИД — модуля определяется в зависимости от управляемого процесса.  Данное значение записывается в регистр PIDxIN.

Для определения параметров К1, К2 и К3 необходимо рассчитать коэффициенты kp, ki и kd, и период дискретизации Т. Следует отметить, что период дискретизации – это не время одного ПИД — вычисления, поскольку  пользователи могут реализовать свои собственные алгоритмы или программы в одну итерацию, и тогда вычисления ПИД — модуля  займут малый промежуток времени.

          После их определения параметры К1, К2 и К3 рассчитываются по следующим формулам:

 Полученные значения сохраняются в PIDxK1, PIDxK2 и PIDxK3 регистрах.

Рисунок. Принципиальная блок-схема ПИД-модуля.

 Функционирование модуля в режиме ПИД-регулятора выполнено в виде замкнутой системы:  вход от внешней системы поступает в контроллер, а выходной сигнал с контроллера подается обратно во внешнюю систему.

 Порядок  выполняемых операций показан на рисунке.

 Внутри контроллера, в блоке difference (вычитатель) происходит вычитание входного значения (PIDxIN) из заданного значения (PIDxSET) для получения ошибки (Z0).  В блоках multiplier (умножитель)  происходит умножение ошибки Z0, а также двух предыдущих PIDxZ1 и PID xZ2  на  вводимые пользователем коэффициенты (К1 К2 К3), и результаты этих умножений суммируются в блоке  adder (сумматор) и поступают в блок accumulator (накопитель). Накопитель используется для накопления выходного сигнала при ПИД регулировании. Следует обратить внимание, что накопитель может переполниться, когда ошибка ПИД — регулятора (уставки, вход ПИД) слишком большая. Существуют определенные обстоятельства, при которых накопитель может легко переполниться. При выборе малого периода дискретизации происходит достаточно быстрое сложение ошибок в короткие сроки,  что в конце концов приведет к быстрому изменению входной величины и к большой погрешности [2].

 Важной особенностью микроконтроллеров семейства PIC16F161X является то, что он способен сохранять текущее состояние в программной среде и позволяет в дальнейшем его восстановить.  Для того, чтобы выполнить это, в настоящее время не должно быть активных вычислений. Сохранению подлежат значения PIDxOUT, PIDxZ1, и PIDxZ2 и текущее состояние ПИД модуля. В зависимости от приложения  желательно также сохранить PIDxK1, PIDxK2, PIDxK3, и/или PIDxSET. При желании спустя время, эти значения могут быть записаны в соответствующие регистры, и ПИД продолжит работу с предыдущего состояния.

Следует также отметить, что данные микроконтроллеры имеет развитую систему прерываний. ПИД — модуль имеет два прерывания, обозначенные  флагами прерывания PIDxDIF и PIDxEIF в регистре прерываний периферии PIR5. Биты для их разрешения PIDxDIE и PIDxEIE — в регистре разрешения прерываний периферии PIE5. В PIDxDIF прерывание срабатывает после одного успешного расчета. В PIDxEIF прерывание срабатывает, когда есть ошибки в PID — вычислениях, конкретно, есть ошибка переполнения на выходном  значении .

На основе описанных функциональных возможностей микроконтроллеров PIC16F161X можно сделать вывод, что их применение в системе управления позволяет сделать ее экономичной  за счет снижения энергопотребления, уменьшения сложности и отказа от многих от некоторых программных и аппаратных компонентов, и высокоэффективной за счет использования математического акселератора с ПИД – модулем за счет ускорения математических вычислений , уменьшения размера кода и ПИД — регулирования.

Литература

1.    Math accelerator with Proportional-Intergral-Derivative (PID) module. PID — mode setup and operation-PIC16(L)F1615/9 14/20-Pin, 8-bit Flash MCU Data Sheet. //www.microchip.com

2.    Hou D. PID control on PIC16F161X by using PID peripheral. TB3136. Режим доступа: http://www.microchip.com//wwwAppNotes