Detail předmětu

Mikropočítačové řízení elektrických pohonů

FEKT-MPC-MRPAk. rok: 2024/2025

V předmětu jsou probírány moderní mikroprocesorové obvody a způsob jejich použití v elektrických pohonech se zpětnovazební regulací. Pro demonstraci problematiky je v laboratorních cvičeních požíván mikrokontrolér STM32 s jádrem ARM. V laboratorních cvičeních se studenti seznámí s vývojovou platformou Nucleo, na které realizují jednoduché úlohy pro seznámení s architekturou a periferiemi mikrokontrolérů pro elektrické pohony (instrukce DSP, A/D převodník, generátor pulsní-šířkové modulace, časovače, atd.) a dále jsou realizovány algoritmy regulační smyčky na reálném laboratorním pohonu. 

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Ing. Ivo Pazdera, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky (UVEE)

Vstupní znalosti

Student, který si zapíše předmět, by měl být schopen:
  • vysvětlit principy tranzistorových měničů
  • vysvětlit metody řízení stejnosměrných a střídavých strojů
  • aplikovat programovací jazyk C
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Podmínkou pro udělení zápočtu je účast alespoň na 80% cvičení a získ nenulového počtu bodů za každý projekt.
  • Laboratorní cvičení: 40b (aktivita, zpracování samostatných úkolů).
  • Závěrečná zkouška: 60b
Povinná jsou laboratorní cvičení. Možnost náhrady zmeškaných cvičení závisí na individuální domluvě.

Učební cíle

Absolvent předmětu by měl být schopen:
  • popsat a vysvětlit blokové schéma HW elektrického pohonu s tranzistorovým měničem, popsat dopředné a zpětné vazby v elektrickém pohonu pro jeho řízení,
  • vysvětlit požadavky na fyzickou realizaci a popsat běžné typy snímačů elektrických a mechanických veličin a jejich připojení do číslicového řídicího systému a zpracování jejich signálů.
  • Vysvětlit základní rozdíly mezi řízením mikroprocesory s pevnou a plovoucí řádovou čárkou. Vysvětlit strategie reprezentace veličin a parametrů v pevné řádové čárce.
  • Popsat požadavky na mikroprocesory pro řízení elektrických pohonů z hlediska periferií. Popsat principy a funkce klíčových periferií mikroprocesorů (PWM, ADC, Čítače).
  • Vysvětlit matematické popisy funkčních bloků regulačních schémat (filtry, regulátory, aproximace funkčních závislostí, transformace komplexního prostorového vektoru, algoritmy DC a AC 3-fázové PWM)
Na laboratorních cvičeních se studenti naučí a formou hodnocených individuálních projektů se ověřuje schopnost:
  • realizovat programové funkce jednotlivých funkčních bloků regulačních schémat řízení elektrických pohonů
  • provést nastavení periferií, realizovat měření analogových signálů
  • realizovat a nastavit regulační smyčky stejnosměrného pohonu

Základní literatura

Knobloch J.; Mikroprocesorová technika - učební text (pracovní verze); Elektronická skripta (CS)
Knobloch J.; Mikropočítačové řízení elektrických pohonů - Návody pro laboratorní cvičení; Elektronická skripta (CS)
Klíma B., Stupka R.;Mikroprocesorová technika v elektrických pohonech; Elektronický text FEKT VUT v Brně (CS)

Doporučená literatura

Carmine Novielo; Mastering STM32 (EN)
STMicroelectronics; STM32F334x8 Datasheet (EN)
STMicroelectronics; STM32F334xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs; Reference manual (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-EVM magisterský navazující, libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
  • Program MPC-SVE magisterský navazující, 2. ročník, zimní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ivo Pazdera, Ph.D.

Osnova

  1. Organizační informace. Reprezentace čísel, číselné soustavy a převody mezi nimi, logické funkce, Booleova algebra. Ukázka používaného software.
  2. Opakování - jazyk C.
  3. Architektura procesorů ARM: organizace paměti, sběrnice, registry, běh programu a zpracování dat, podprogramy, výjimky.
  4. Mikrokontroléry STM32, základní moduly, princip činnosti.
  5. Periferie mikrokontrolérů: porty, časovače, analogové převodníky, přímý přístup do paměti.
  6. Inkrementální čidlo, měření otáček a polohy, resolver.
  7. Pulsní šířková modulace pro řízení tranzistorového měniče.
  8. Úvod do zpracování signálů, instrukce MAC, číslicový integrátor a filtr 1. řádu, odvození diferenční rovnice.
  9. Aproximace funkčních závislostí: LUT, polynom.
  10. Řízení BLDC motoru.
  11. Algoritmy řízení střídavých pohonů: trojfázová sinusová šířkově pulzní modulace.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ivo Pazdera, Ph.D.

Osnova

  1. Úvod,bezpečnostní předpisy,seznámení s pracovištěm.
  2. Konfigurace vstupů/výstupů GPIO pomocí, ukázka debuggeru, čtení a přepisování registrů.
  3. Časovače I: genrování peridického přerušení - reload a output compare, ošetření zákmitů tlačítka.
  4. Časovače II: pulzní šířková modulace (PWM), PWM center vs. edge align - dva kanály, komplementární výstup, deadtime.
  5. Zadání a práce na samostatném projektu.
  6. A/D převodník: vyčítání dat z AD převodu, synchronizace s TIM1 (PWM), použití DMA.
  7. Číslicový integrátor, dolní propust 1. řádu, generátor trojuhelníkového signálu.
  8. PSD regulátor: složkový a uzavřený tvar, implementace v plovoucí a pevné řádové čárce, anti-windup.
  9. Zadání a práce na samostatném projektu.
  10. Řízení BLDC motoru, vytvoření komutační tabulky, regulace rychlosti.
  11. Trojfázová šířková pulzní modulace, modulace prostorového vektoru.