МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ DC/DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

Корохов В.В. 1

1ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность работы. Данная магистерская диссертация посвящена актуальной задаче - разработке химического источника тока, включающего DC/DC-преобразователь, который позволяет обеспечить заданные электрические параметры и минимальные габаритно-массовые показатели.

Целью квалификационной работы является

обеспечение надежного и бесперебойного питания электродвигателя рулевых машин спускаемого аппарата путем разработки системы управления DC/DC-преобразователем химического источника тока, формирующей необходимые электрические характеристики при минимальных размерах и массе ХИТ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ существующих DC/DC-преобразователей с целью выбора типа преобразователя, наилучшим образом отвечающего предъявляемым требованиям;

разработать систему управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;
разработать систему управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;
провести имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;
провести имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;
сравнить результаты имитационного моделирования и предложить вариант наилучшим образом, отвечающий предъявляемым к химическому источнику тока требованиям.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из аннотации, введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

В первой главе подробно изучается поставленная проблема и реализуется постановка задачи разработки исследований.

Одним из компонентов ПТДУ являются химические источники тока, которые предназначены для электропитания двигателей рулевых машин, обеспечивающих вертикальное положение аппарата в пространстве.

К химическому источнику тока предъявляются жесткие требования по надежности, массе и габаритным размерам.

Одним из немаловажных факторов обеспечения надежного перелета космического аппарата является его безопасная посадка. Мягкая посадка – посадка космического аппарата или его части на поверхность небесного тела, при которой вертикальная скорость к моменту посадки гасится до минимума (в идеальном случае до нуля). На планетах с достаточно плотной атмосферой мягкая посадка может быть осуществлена, например, с помощью парашюта; возможна также посадка самолётного типа. Однако в этом случае на первой стадии торможения (вход в атмосферу) на спускаемый аппарат действуют значительные перегрузки. На планетах, лишённых атмосферы, мягкая посадка возможна только с торможением ракетным двигателем.

Рассмотрим структуру спускаемого аппарата (СА) в части обеспечения мягкой посадки. Она изображена на рисунке 1

Спускаемый аппарат, предназначенный для доставки научно-исследовательской аппаратуры или экипажа на поверхность планеты, имеет систему мягкой посадки, построенную на базе реактивных двигателей. Эта система может дублироваться парашютной системой, если посадка происходит на планете с атмосферой.

При мягкой посадке очень важно положение аппарата в пространстве относительно поверхности. В современных спускаемых аппаратах (и летательных аппаратах) угол наклона определяют при помощи гироскопа. Для того, чтобы обеспечить заданное положение аппарата в пространстве служат рулевые машины, которые поворачивают сопла реактивных двигателей.

Для поворота сопел используются электродвигатели постоянного тока, которые могут непрерывно работают в режиме реверса.

Для стабилизации спускаемого аппарата в пространстве служат рулевые машины, которые управляют положением сопел реактивных двигателей. Всего на спускаемом аппарате ПТК НП предусмотрено четыре пары реактивных двигателей. Для поворота сопла в одну сторону включается электродвигатель. При этом пусковой ток для двух двигателей составляет примерно 140 А. При необходимости перемещения сопла в противоположную сторону двигатель начинает вращаться в противоположном направлении (реверс). При этом пусковой ток для двух двигателей составляет около 210 А (рисунок 2). Напряжение питания электродвигателей должно быть в диапазоне от 32 до 27 В.

Рисунок 2 - Предварительная циклограмма токопотребления системы управления при безаварийной посадке с учетом работы одного источника тока на два электродвигателя

Обычно для электропитания аппаратуры СА используется комплекс, состоящий из солнечной батареи и аккумулятора.

Для электропитания двигателей рулевых машин системы посадки предусматривается использовать первичные химические источники тока системы литий-тионилхлорид. Они характеризуются постоянной готовностью в течении гарантийного срока и не нуждаются в подзарядке как аккумуляторы. Это объясняется тем, что с одной стороны посадка - возвращение экипажа на Землю может быть экстренной, то есть, нет времени на заряд аккумуляторов, а с другой стороны после отделения спускаемого аппарата от станции посадка может быть отложена на некоторое время и подзарядку аккумулятора провести невозможно.

На сегодняшний день литий-тионилхлоридные источники тока имеют самые высокие удельные характеристики до 600 Вт ч/кг и до 1100 Вт ч/л и широкий диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 70 С.

Кроме того к химическому источнику тока предъявляются требования, определяемые условиями эксплуатации. Это воздействие сильных вибраций, ускорений и ударов при взлете ракеты, воздействие циклически меняющейся температуры при вращении КА на орбите. Нахождение длительное время (в течение года) в условиях глубокого вакуума.

Работа любого химического источника тока предусматривает наличие провалов напряжения при резком и значительном изменении тока потребления. При снижении напряжения источника тока ниже допустимого происходит отказ электрооборудования.

В результате анализа особенностей работы рулевых машин, характеристик химического тока и требований, предъявляемых к ним для обеспечения работы рулевых машин можно разработать химические источники тока следующих конструкций.

Химический источник тока, имеющий значительное количество параллельно соединенных групп элементов для обеспечения необходимой мощности и недопущению провала напряжения ниже 27 В.

Достоинства: высокая надежность, возможность многократного использования более 10 раз.

Недостатки: значительная масса – около 30 кг, высокая стоимость.

Химический источник тока, имеющий в своем составе суперконденсаторы, необходимые для того, чтобы передать нагрузке необходимое количество энергии за короткое время и не допустить значительного провала напряжения.

Достоинства: средняя масса – около 15 кг, передача необходимого количества энергии потребителю за короткое время без провала напряжение ниже 27 В.

Недостатки: в настоящее время не завершена разработка отечественных суперконтенсаторов, способных работать в условиях космического пространства; наличие сложной системы управления зарядом суперсонденсатора, необходимой для достаточной степени заряда. Высокая стоимость суперсонденсаторов.

Химический источник тока, имеющий в своем составе DC/DC- преобразователь для того, чтобы передать нагрузке необходимое количество энергии за короткое время и не допустить значительного провала напряжения. Масса источника тока составит порядка 8 кг.

Достоинства: незначительная масса, передача необходимого количества энергии потребителю за короткое время без провала напряжение ниже 27 В, небольшая стоимость.

Недостатки: необходимость резервирования DC/DC – преобразователя, как узла с наименьшей вероятностью безотказной работы.

Проведя анализ достоинств и недостатков каждого варианта исполнения химического источника тока, можно сделать следующие выводы.

Таким образом, на основании анализа конструкции ХИТ рулевых машин, требований к химическим источникам тока рулевых машин, особенностей функционирования химический источник тока на основе DC/DC–преобразователя для разработки химического источника тока, сформулирована цель работы:

Во второй главе приведен обзор существующих DC/DC преобразователей.

Результаты сравнения преобразователей сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты сравнения преобразователей

Виды

преобразователей

Достоинства

Недостатки

Обратноходовой преобразователь

-нечувствительность к короткому замыканию нагрузки;

-возможность регулирования выходного напряжения в широких пределах;

- небольшое количество элементов, невысокая стоимость.

-мощность ограничена энергией, запасаемой дросселем;

-большие по сравнению с другими импульсными преобразователями габариты при той же мощности.

Однотактный

преобразователь

-уменьшены потери мощности на резисторе

-амплитуда тока коллектора может превысить предельно допустимое значение;

- перенапряжения на коллекторе могут стать причиной выхода прибора из строя;

-недоиспользование сердечника трансформатора;

-возможность пробоя эммитерного перехода большим запирающим напряжением на обмотке.

Прямоходовой преобразователь

-могут обеспечивать более высокие уровни выходной мощности;

-показывают более низкие значения размаха напряжения пульсации.

-применяют силовой ключ с максимально допустимым напряжением, значительно большим, чем входное напряжение;

-нужно вводить снабберные цепи для уменьшения перенапряжения на силовом ключе, но в них происходят потери энергии.

Приведен обзор существующих систем управления DC/DC -преобразователей: на базе микросхемы и на базе микроконтроллера.

Разработан DC/DC преобразователь с СУ на базе микросхемы TDA4605. Разработана принципиальная схема DC/DC преобразователя с СУ на базе микросхемы TDA4605 (рисунок 3)

Разработаны структурная схема системы DC/DC преобразователя, представленная на рисунке 4 и схема электрическая принципиальная DC/DC преобразователя на базе микроконтроллера (рисунок 5),.

Произведен расчет всех необходимых параметров.

Рисунок 3 - Принципиальная схема DC/DC преобразователя с СУ на базе микросхемы TDA4605

Рисунок 4 - Структурная схема системы управления DC/DC преобразователя

Проведен обзор контроллеров и выбран наиболее подходящий и описаны его характеристики. Разработана принципиальная схема разработанного устройства с микропроцессорным управлением.

Рисунок 5 - Принципиальная схема DC/DC преобразователя с СУ на базе микроконтроллера

Разработан алгоритм работы микроконтроллера, представленный на рисунке 6.

Рисунок 6 – Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера

В третьей главе проведен обзор способов моделирования электротехнических систем.

Проведено имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы и на базе микроконтроллера.

На рисунке 7 изображены результаты имитационного моделирования работы ХИТ с DC/DC преобразователем.

Рисунок 7 – Результаты имитационного моделирования работы ХИТ с DC/DC преобразователем

Имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы TDA4605

На рисунке 8 изображены результаты имитационного моделирования работы ХИТ с системой управления DC/DC преобразователем на базе микросхемы.

Рисунок 8 - Результаты имитационного моделирования работы ХИТ с системой управления DC/DC преобразователем на базе микросхемы

Имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A

На рисунке 9 изображены результаты имитационного моделирования работы ХИТ с системой управления DC/DC преобразователем на базе микроконтроллера PIC16C620A.

Рисунок 9 - Результаты имитационного моделирования работы ХИТ с системой управления DC/DC преобразователем на базе микроконтроллера

На рисунке 10 представлено имитационное моделирование параметров управляющего сигнала при изменении напряжения на выходе ХИТ

Рисунок 10 - Имитационное моделирование параметров управляющего сигнала при изменении напряжения на выходе ХИТ

Анализ результатов имитационного моделирования показал, что качество электроэнергии ХИТ с DC-DC преобразователем на базе микроконтроллера существенно выше чем у предыдущего варианта, а именно провал напряжения составляет всего 1 В.

Особенность системы управления DC-DC преобразователем на базе микроконтроллера, позволяющая получить высокое качество энергии заключается в том, что процесс выработки управляющего сигнала начинается гораздо раньше, чем в СУ на микросхеме с жесткой логикой.

В ходе выполнения работы были получены следующие научные и практические результаты.

Научные результаты исследования состоят в следующем:

- разработана структура DC/DC – преобразователя, отличающая от известных увеличенными выходными характеристиками;

- разработан алгоритм работы системы управления DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера;

- разработана имитационная модель, позволяющая исследовать работу и определить параметры СУ DC/DC – преобразователя в различных режимах работы.

Практические результаты исследования:

- разработана принципиальная схема СУ DC/DC – преобразователя на базе микросхемы;

- разработана принципиальная схема СУ DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера;

- разработана программа, реализующая алгоритм работы системы управления на базе микроконтроллера.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Южно-Российский Государственный Технический университет

Химико-технологический факультет

Кафедра «Автоматизация и управление технологических процессов и производств»

Моделирование и разработка системы управления DC/DC-преобразователем химического источника тока

диссертация на соискание степени магистра техники и технологий

по направлению 220700 – Автоматизация технологических процессов и производств

Автор диссертации: Золотухина Н. В.

Научный руководитель работы: доцент, к.т.н., Корохов В.В. .

Новочеркасск

2013

Аннотация

В данной магистерской диссертации подробно изучена проблема энергоснабжения системы посадки спускаемого аппарата.

Диссертация содержит 70 страниц, 24 рисунка, 3 таблицы, 8 формул и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана степень научной разработанности рассматриваемой предметной области, определены цели и задачи исследования, указаны научные результаты работы и ее практические результаты.

В первой главе подробно изучается поставленная проблема и реализуется постановка задачи разработки исследований.

Во второй главе разработаны принципиальные схемы двух предложенных систем управления: на базе микросхемы и на базе микроконтроллера, произведен расчет параметров разработанной структуры, разработан алгоритм работы системы управления DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера.

В третье главе проведено имитационное моделирование, позволяющее исследовать работу и определить параметры устройства в различных режимах работы.

В заключении приведены результаты диссертационной работы.

В приложении А представлен исходный код программы, реализующая алгоритм работы системы управления на базе микроконтроллера.

Содержание

Аннотация 3

Введение 5

Описание объекта управления 7
1. Современные направления развития космонавтики 7
2. Описание состава установки вертикальной посадки 8
3. Описание конструкции ХИТ рулевых машин 9
4. Требования к ХИТ рулевых машин 10
5. Описание особенностей функционирования химического

источника тока на основе DC/DC–преобразователя 13

1.6 Постановка задачи 17

2. Разработка системы управления DC/DC преобразователя электродвигателя рулевых машин 19

2.1 Обзор существующих DC/DC преобразователей 19

2.2 Обзор существующих систем управления DC/DC преобразователя 23

2.3 Разработка DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы TDA4605 29

2.4 Разработка DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A 38

3. Имитационное моделирование DC/DC преобразователя в составе ХИТ 50

3.1 Обзор способов моделирования электротехнических систем 50

3.2 Имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы TDA4605 62

3.3 Имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A 63

Заключение 66

Список использованной литературы 68

Приложение А. 70

Введение

В настоящее время в РКК “Энергия им. С.П. Королева” ведется разработка пилотируемого транспортного корабля нового поколения, который должен прийти на смену кораблю “Союз ТМА”, являющемуся сегодня основным средством доставки экипажей на орбитальную станцию и возвращения их на Землю. При создании нового корабля, наряду с парашютной системой посадки возвращаемого аппарата (ВА), аналогичной используемой на кораблях “Союз ТМА”, рассматривается также реактивная система посадки. Реактивная посадка осуществляется с помощью многосопловой посадочной твердотопливной двигательной установки (ПТДУ), обеспечивающей эффективное торможение аппарата на дозвуковых скоростях и его мягкую посадку с высокой точностью приземления.

К химическому источнику тока предъявляются жесткие требования по надежности, массе и габаритным размерам.

Данная магистерская диссертация посвящена актуальной задаче - разработке химического источника тока, включающего DC/DC-преобразователь, который позволяет обеспечить заданные электрические параметры и минимальные габаритно-массовые показатели.

Целью работы является обеспечение надежного и бесперебойного питания электродвигателя рулевых машин спускаемого аппарата путем разработки системы управления DC/DC-преобразователем химического источника тока, формирующей необходимые электрические характеристики при минимальных размерах и массе ХИТ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих DC/DC-преобразователей с целью выбора типа преобразователя, наилучшим образом отвечающего предъявляемым требованиям;

- разработать систему управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;

- разработать систему управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;

- провести имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;

- провести имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;

- сравнить результаты имитационного моделирования и предложить вариант наилучшим образом, отвечающий предъявляемым к химическому источнику тока требованиям.

В ходе выполнения работы были получены следующие научные и практические результаты.

Научные результаты исследования состоят в следующем:

- разработан алгоритм работы системы управления DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера;

Практические результаты исследования:

- разработана принципиальная схема СУ DC/DC – преобразователя на базе микросхемы;

- разработана принципиальная схема СУ DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера;

- разработана программа, реализующая алгоритм работы системы управления на базе микроконтроллера.

1_ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

1. Современные направления развития космонавтики

В Федеральной космической программе России 2006 - 2015 годы запланировано выполнение более двух десятков проектов научного назначения.

Среди них программы исследования Луны, Венеры, Марса. Также космические программы предусматривают совершенствование и разработку пилотируемого транспортного корабля нового поколения (ПТК НП). Данную работу в настоящее время проводит РКК «Энергия». Предполагается, что данный корабль заменит существующий ныне спускаемый аппарат корабля «Союз ТМА». ПТК НП сможет использоваться до 10 раз, приземляться вертикально без парашюта, брать на борт шесть человек, летать на МКС и к станции, которая будет построена после нее, а также выходить на орбиты Луны и Марса. При этом новый проект корабля не предусматривает его посадку на Луну и впоследствии на Марс. Корабль предназначен для орбитальных полетов и безопасного возвращения на Землю шести космонавтов и до 500 килограммов груза.

В рамках Федеральной космической программы России на период 2006 - 2015 гг. в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований» для решения задач этого научного направления предусмотрено выполнение следующих полномасштабных космических проектов.

«Луна – Глоб». Космический комплекс, обеспечивающий: получение научных результатов мирового уровня о внутреннем строении Луны и кратера Айткен на южном полюсе Луны; разведку природных ресурсов; исследование воздействий на Луну приходящих корпускулярных потоков и электромагнитного излучения. Запуск космического аппарата намечен после 2015 года.

«Венера - Д».Космический комплекс, обеспечивающий проведение измерений химического состава атмосферы Венеры, съемку поверхности на этапе спуска, определение минерального состава вещества поверхностного слоя, точные измерения температуры и давления, потоков излучения, характеристик аэрозольной среды. Данные о сейсмической активности планеты. Запуск космического аппарата намечен на 2016 год.

ExoMars. Этот проект предусматривает участие России в европейском проекте ExoMars по исследованию Марса. Данная миссия предполагает отправку в 2016 году орбитального зонда для исследования Марса и высадку на его поверхность посадочного модуля, а в 2018 году — начало работы марсохода.

В долгосрочных планах после 2030 года значится пилотируемый полет на Марс.

Во всех указанных и других проектах предусмотрено использование спускаемых аппаратов, позволяющих осуществлять мягкую посадку с ускорениями не более 4 g, что особенно актуально для сохранения работоспособности точной научно-исследовательской аппаратуры и безопасности экипажа.

1.2 Описание состава установки вертикальной посадки

Рассмотрим структуру спускаемого аппарата (СА) в части обеспечения мягкой посадки. Она изображена на рисунке 1.1 .

Рисунок 1.1 - Структура спускаемого аппарата

1.3 Описание конструкции ХИТ рулевых машин

Для стабилизации спускаемого аппарата в пространстве служат рулевые машины, которые управляют положением сопел реактивных двигателей. Всего на спускаемом аппарате ПТК НП предусмотрено четыре пары реактивных двигателей. Для поворота сопла в одну сторону включается электродвигатель. При этом пусковой ток для двух двигателей составляет примерно 140 А. При необходимости перемещения сопла в противоположную сторону двигатель начинает вращаться в противоположном направлении (реверс). При этом пусковой ток для двух двигателей составляет около 210 А (рисунок 1.2). Напряжение питания электродвигателей должно быть в диапазоне от 32 до 27 В.

Рисунок 1.2 - Предварительная циклограмма токопотребления системы управления при безаварийной посадке с учетом работы одного источника тока на два электродвигателя

1.4 Требования к химическим источникам тока рулевых машин

Обычно для электропитания аппаратуры СА используется комплекс, состоящий из солнечной батареи и аккумулятора. На первом этапе развития космонавтики использовались серебряно-цинковые аккумуляторы, однако из-за малого ресурса и дороговизны их в значительной мере вытеснили более тяжелые, но более долговечные серебряно-кадмиевые и никель-кадмиевые аккумуляторы. В последние годы в космической технике используются никель-металлогидридные аккумуляторы, характеризуемые более высокими значениями удельной энергии и мощности. Однако их ресурс существенно меньше ресурса никель-водородных аккумуляторов.

В настоящее время все более широкое применение находят литий-ионные аккумуляторы. Требования по удельной энергии соответствуют параметрам литий-ионных аккумуляторов. Однако необходима дальнейшая работа по улучшению некоторых параметров этих аккумуляторов: увеличению ресурса и скорости разряда и снижение рабочих температур

На сегодняшний день литий-тионилхлоридные источники тока имеют самые высокие удельные характеристики до 600 Вт ч/кг и до 1100 Вт ч/л 1 и широкий диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 70 С.

Химический источник тока, имеющий значительное количество параллельно соединенных групп элементов для обеспечения необходимой мощности и недопущению провала напряжения ниже 27 В.

Достоинства: высокая надежность, возможность многократного использования более 10 раз.

Недостатки: значительная масса – около 30 кг, высокая стоимость.

Химический источник тока, имеющий в своем составе суперконденсаторы, необходимые для того, чтобы передать нагрузке необходимое количество энергии за короткое время и не допустить значительного провала напряжения.

Химический источник тока, имеющий в своем составе DC/DC- преобразователь для того, чтобы передать нагрузке необходимое количество энергии за короткое время и не допустить значительного провала напряжения. Масса источника тока составит порядка 8 кг.

Достоинства: незначительная масса – около 8 кг, передача необходимого количества энергии потребителю за короткое время без провала напряжение ниже 27 В, небольшая стоимость.

Использовать второй вариант источника тока на сегодня невозможно из-за отсутствия суперконденсатора.

Так как на спускаемом аппарате необходимо установить восемь источников тока, то их общая масса составит для первого варианта – 240 кг, для второго – 120, а для третьего – 64 кг. То есть, применяя третий вариант источника тока можно увеличить полезную нагрузку спускаемого аппарата и установить там дополнительно научно-исследовательское оборудование или повысить надежность, например, систем спасения экипажа.

Стоимость третьего варианта источника тока значительно меньше, это позволит направить сэкономленные средства на дальнейшее усовершенствование данного варианта.

Таким образом, в данной работе решено разработать химический источник тока, имеющий в своем составе DC/DC–преобразователь и конденсатор.

1.5 Описание особенностей функционирования химический источник тока на основе DC/DC–преобразователя

По рисунку 1.3 видно, что в момент пуска двигателя происходят мгновенные импульсы тока, которые длятся несколько 4 мс. Весь цикл работы источника тока составляет 30 с. Для повышения надежности источника тока, в отличие от рисунка 1.2 , в работе принято допущение, что электродвигатель в течение 30 с работает в режиме реверса, то есть на всем протяжении импульсы пускового тока составляют 210 А (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Диаграмма работы двигателя

Диаграмма работы двигателя иллюстрирует характер изменения значения тока. При пуске двигателя импульсы тока достигают порядка 210А за минимальный интервал времени, 4 мс. После этого происходит уменьшение значения тока. В связи с этим в существующих системах электропитания происходит провал напряжения.

Одним из условий успешной посадки спускаемого аппарата является непрерывность работы рулевой машины, надежность которой напрямую зависит от качественной работы системы электропитания. Возникает необходимость стабилизации тока и напряжения. Для решения этой задачи необходимо разработать систему управления, учитывая все особенности работы двигателя.

Анализируя вышеописанное и требования технического задания, для обеспечения необходимой мощности необходимо разработать систему управления DC/DC преобразователя с Uвых =30 В и I вых =17 А. Химический источник тока должен иметь номиналы U вх =22В, I вх =25А.

Рассчитаем входную и выходную мощность и составим уравнение энергетического баланса.

Pвх=Рвых

25А*22В=30В*17 А

На рисунке 1.4 изображена схема энергетического баланса.

Рисунок 1.4 - Схема энергетического баланса

Согласно схеме энергетического баланса около 40 Вт расходуется на потери, которые могут быть тепловые, связаны с особенностью конструкции, некачественной работы системы питания и т.д.

На рисунке 1.5 представлена структурно-функциональная схема источника тока.

Рисунок 1.5 - Структурно-функциональная схема источника тока

Для обеспечения электродвигателя рулевой машины энергией с параметрами напряжения от 30 до 27 В, током 17 А в постоянном режиме и 210 А в импульсном режиме, батарея должна обеспечивать разряд током 25 А и напряжением не ниже 22 В. Для выполнения требований по электропитанию двигателя служат конденсатор, который обеспечивает импульсную нагрузку, и DC/DC-преобразователь который обеспечивает заряд конденсатора для отработки следующего импульса и стабилизации тока 17 А.

Для решения этой задачи необходимо разработать систему управления DC/DC-преобразователя, учитывая все особенности работы двигателя.

На рисунке 1.6 изображена функциональная схема DC/DC-преобразователя.

Рисунок 1.6 - Функциональная схема DC/DC-преобразователя

Стабилизация напряжения происходит под контролем работы системы управления (ШИМ) посредством открывания и закрывания ключа. Система управления может быть построена на базе логической интегральной микросхемы или микроконтроллера. Более подробно принцип действия DC/DC-преобразователя и системы управления представлена во второй главе.

С целью обеспечения импульсной нагрузки необходимо использовать конденсатор с параметрами приведенными ниже.

Uвых=30 В, Uвх = 27В, i =210A, tn=4мс.

Емкость конденсатора определяется по формуле:

С=QU=i*tnUвых-Uвх,

где С - емкость конденсатора;

Q - величина заряда конденсатора;

U - напряжение на обкладках конденсатора;

i - пусковой ток;

tn- время заряда конденсатора;

Uвых- выходное напряжение;

Uвх- входное напряжение.

С=210*4*10-330-27=168*10-3Ф=0,28=280000 мкФ

С=0,28 Ф=280000 мкФ=280 мФ.

Таким образом, для указанных исходных данных выбран конденсатор В41458 (ф. Epcos) емкостью 300 мФ и номинальным напряжением 40 В.

1.6 Постановка задачи

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ существующих DC/DC- преобразователей с целью выбора типа преобразователя, наилучшим образом отвечающего предъявляемым требованиям;
разработать систему управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;
разработать систему управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;
провести имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;
провести имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;
сравнить результаты имитационного моделирования и предложить вариант наилучшим образом, отвечающий предъявляемым к химическому источнику тока требованиям.

2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ электродвигателя РУЛЕВЫХ МАШИН

2.1 Обзор существующих DC/DC преобразователей

Однотактный преобразователь напряжения

Однотактный преобразователь напряжения содержит трансформатор, первичная обмотка которого состоит из двух частей с числом витков w1 и w2, первый транзистор, соединенный с блоком управления, и второй транзистор, шунтированный обратным диодом. Между эмиттерами транзисторов включен конденсатор. Коллекторы первого и второго транзисторов соединены с крайними выводами обмоток трансформатора. Коллектор первого транзистора через резистор, шунтированный последовательной RC-цепью, образующие токозадающую цепь, соединен с входом управления второго транзистора. В качестве первого и второго транзисторов в данном преобразователе могут быть использованы любые другие ключевые элементы. На рисунке 2.1 изображен однотактный преобразователь напряжения.

Рисунок 2.1 - Однотактный преобразователь напряжения

При поступлении отпирающего сигнала на базу транзистора, он открывается, к обмотке трансформатора прикладывается входное напряжение. При этом к управляющему переходу транзистора прикладывается запирающее напряжение, практически равное напряжению конденсатора, и он запирается. Через второй транзистор протекает сумма токов намагничивания сердечника трансформатора и нагрузки. По окончании управляющего импульса транзистор запирается, ток намагничивания замыкается через диод, конденсатор и обмотку. К управляющему электроду второго транзистора прикладывается отпирающее напряжение, равное разности коллекторного напряжения первого транзистора и напряжения конденсатора. Второй транзистор отпирается, обеспечивая протекание тока намагничивания в обратном направлении.

Благодаря конденсатору ток намагничивания протекает непрерывно в течение всего периода следования импульсов с блока управления, и среднее значение этого тока равно нулю. Это приводит к тому, что размагничивающее напряжение прикладывается к обмотке в течение всего времени запертого состояния первого транзистора, а перемагничивание сердечника трансформатора осуществляется по полному циклу с малой амплитудой тока намагничивания.

Прямоходовый преобразователь

Прямоходовые преобразователи образуют большое семейство топологий импульсных источников энергии. Они содержат индуктивно-емкостной фильтр (LC-фильтр) , расположенный сразу после ключа или после выходного выпрямителя на вторичной обмотке трансформатора. Выходное напряжение поддерживается схемой управления путем изменения рабочего цикла. Прямоходовой преобразователь — это одноключевой преобразователь, в котором для передачи энергии из первичной цепи во вторичные цепи используется трансформатор. Энергия передаётся из первичной обмотки во вторичную, когда ключ замкнут, и через него течёт ток.

В прямоходовом преобразователе источник энергии подает ток к выходному конденсатору, когда ключ замкнут (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Прямоходовой преобразователь

Дополнительная обмотка трансформатора прямоходового преобразователя гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится, таким образом ключ (то есть транзистор) выйдет из строя.

Выходное напряжение прямоходового преобразователя равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.

Обратноходовой преобразователь

Рисунок 2.3 -Обратноходовой (flyback) преобразователь

Cхема управления контролирует Vout и управляет скважностью (временем включенного состояния ключа VT1).Если Vin увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение.

Если ток нагрузки уменьшится и Vout увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Уменьшение Vin или увеличение тока нагрузки увеличит скважность. Ток в обратноходовом преобразователе может иметь или трапецеидальную, или пилообразную форму. Трапецеидальная форма тока будет в том случае, если ключевой транзистор включается до того, как ток во вторичной обмотке спадет до нуля.

Если пилообразный ток во вторичной обмотке успевает достичь нуля, то в обмотках появляется "мертвое время", когда нет никакого тока ни во вторичной обмотке, ни в первичной. В обратноходовой же схеме при размыкании ключа ток, вызванный убыванием магнитного потока в сердечнике, протекает в цепи вторичной обмотки. Поэтому в обратноходовой схеме ограничитель напряжения может использоваться лишь для того, чтобы уменьшить воздействие на ключ импульсов напряжения, вызванных наличием индуктивностей рассеяния.

Результаты сравнения преобразователей сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты сравнения преобразователей

Виды преобра-зователей	Достоинства	Недостатки
Обратноходовой преобразователь	-нечувствительность к короткому замыканию нагрузки; -возможность регулирования выходного напряжения в широких пределах; - небольшое количество элементов, невысокая стоимость.	-мощность ограничена энергией, запасаемой дросселем; -большие по сравнению с другими импульсными преобразователями габариты при той же мощности.
Однотактный преобразователь	-уменьшены потери мощности на резисторе	-амплитуда тока коллектора может превысить предельно допустимое значение; - перенапряжения на коллекторе могут стать причиной выхода прибора из строя; -недоиспользование сердечника трансформатора; -возможность пробоя эммитерного перехода большим запирающим напряжением на обмотке.
Прямоходовой преобразователь	-могут обеспечивать более высокие уровни выходной мощности; -показывают более низкие значния размаха напряжения пульсации.	-применяют силовой ключ с максимально допустимым напряжением, значительно большим, чем входное напряжение; -нужно вводить снабберные цепи для уменьшения перенапряжения на силовом ключе, но в них происходят потери энергии.

Проанализировав таблицу 2, можно прийти к выводу, что целесообразно использовать классическую схему обратноходового преобразователя.

2.2 Обзор существующих систем управления DC/DC -преобразователей

Система управления DC/DC преобразователя может быть реализована несколькими способами. Принцип работы будет практически одинаковым, отличаться будут только функциональные возможности.

Рассмотрим две системы управления DC/DC преобразователя. Первая на базе микросхемы, вторая на основе микроконтроллера.

2.2.1 Система управления DC/DC преобразователя на базе микросхемы. Принцип работы системы управления на базе микросхемы

Преобразователь с передачей энергии на обратном ходу одна из самых популярных топологий импульсных источников питания. Область его широкого применения ограничена конверторами низкой и средней мощности как стандартного применения, так и эксклюзивных решений. Причем разработчики серийной продукции любят его за предельную простоту и дешевизну, а некоторые его уникальные свойства позволяют решать весьма нестандартные задачи. По своим энергетическим характеристикам обратноходовой преобразователь значительно уступает большинству других топологий.

Несмотря на то, что в настоящее время широкое распространение получили интегральные котроллеры, необходимо разобраться в процессах классической схемы управления. Да и принципы построения интегральных контроллеров зачастую повторяют «классическую» схему.

На рисунке 2.4 приведена общая схема обратноходового преобразователя.

Рисунок 2.4 - Схема обратноходового преобразователя

Принцип работы системы управления на базе микросхемы заключается в следующем.

Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Модуляция ширины импульса - это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

Обратноходовой преобразователь работает следующим образом. Ключевой транзистор VT1 управляется схемой ШИМ - модулятора. Когда VT1 открыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно увеличивается. Этот трансформатор фактически является дросселем со вторичной обмоткой и, в отличие от нормального трансформатора, накапливает в себе существенную энергию. Когда транзистор VT1 закрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться и это вызывает ток I₂,текущий в цепи вторичной обмотки. Ток I₂заряжает конденсатор С и также течет в нагрузку. На рис. 2.5 показаны импульсы токов I₁и I₂во время включенного и выключенного состояний ключевого транзистора. Ток I₁ течет во время включенного состояния, а ток I₂ –во время выключенного и поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С.

Рисунок 2.5 - Формы сигналов для обратноходового преобразователя

Если выходная нагрузка увеличивается, необходимо только увеличить длительность включенного состояния транзистора VT1, во время которого ток достигнет более высокого значения, что создаст в результате более высокий ток во вторичной обмотке во время выключенного состояния. И, наоборот, при уменьшении нагрузки, ток уменьшает свое значение.

Если выходное напряжение сравнить с опорным напряжением, и полученной разностью управлять ШИМ - модулятором, получается замкнутая петля обратной связи, и схема автоматически сохраняет постоянное значение выходного напряжения.

Идеальная схема обратноходового преобразователя не имеет потерь, так как в любое время переключающий элемент имеет или нулевое напряжение или нулевой ток. На практике, однако, имеются некоторые потери переключения и проводимости в транзисторе VT1, а также потери в трансформаторе, диоде и конденсаторах. Но эти потери не велики по сравнению со схемой линейного преобразователя.

Более полная схема обратноходового преобразователя, непосредственно подключенного к батарее, основанная на схеме типового обратноходового преобразователя, показана на рисунке 2.6

Рисунок 2.6 - Функциональная схема системы управления на базе микросхемы

На этой схеме также показана петля обратной связи, по которой сигнал от выхода подается назад на ключевой транзистор. Эта петля обратной связи должна иметь изоляцию для того, чтобы выходная линия постоянного тока была гальванически развязана, что обычно выполняется с помощью маленького трансформатора.

В качестве системы управления транзистора VT используется микросхема. Она реализует ШИМ управление, для регулирования выходных параметров.

2.2.2 Система управления DC/DC преобразователя на базе микроконтроллера

Используя DC-DC-преобразователь на базе микросхемы, получим высокий КПД и большую частоту преобразования. Большая частота преобразования положительно скажется на стоимости внешних пассивных компонентов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, что снизит общую стоимость решения. Кроме того, площадь, занимаемая этими компонентами на плате, также будет меньше с ростом частоты преобразования. В интегральные микросхемы DC-DC преобразования входит несколько видов защит.

Тем не менее, в некоторых областях может быть выгоднее использовать контроллер с внешним ключом. Это могут быть ультрадешёвые приложения, либо приложения, где требуется специфика управления мощностью выдаваемого питания. Достоинством такого решения можно также считать большое количество взаимозаменяемых стандартных транзисторов всевозможных производителей.

Постоянная борьба за повышение КПД DC/DC-преобразователей и более полное использование заряда батарей питания вызывает необходимость поиска новых схемных решений для реализации этих задач.

Так как в современном портативном оборудовании используются быстродействующие микропроцессоры, имеющие большое энергопотребление и малое напряжение питания ядра, а также целый ряд других устройств, напряжение питания которых составляет 3.3…5 В, то возникает необходимость построения повышающих преобразователей напряжения. Такие преобразователи необходимы для питания мощных светодиодов, работающих в устройствах с низким напряжением питания и во многих других случаях.

Традиционно повышающие преобразователи (Buck-Boost-преобразователи) строятся по топологиям SEPIC (Single-Ended Primary-Inductance Converter). Так же в повышающих преобразователях в этих топологиях предусмотрен один активный и один пассивный ключевой элемент. Возможность повышать выходное напряжение достигается применением дополнительной катушки индуктивности в преобразователях.

Рисунок 2.7 - Функциональная схема системы управления на базе

микроконтроллера

Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Модуляция ширины импульса - это метод управления основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В DC/DC преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

DC/DC преобразователь работает следующим образом. Ключевой транзистор VT1, управляется схемой ШИМ-модулятора. Когда VT1 открыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно увеличивается. Этот трансформатор фактически является дросселем со вторичной обмоткой и, в отличие от нормального трансформатора, накапливает в себе существенную энергию. Когда транзистор VT1 закрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться, и это вызывает ток I₂текущий в цепи вторичной обмотки. Ток I₂заряжает конденсатор С и также течет в нагрузку. Ток I₁ течет во время включенного состояния, а ток I₂ –во время выключенного и поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С.

2.3 Разработка DC/DC преобразователя с СУ на базе микросхемы TDA4605

DC/DC преобразователь с системой управления на базе микросхемы TDA4605

Наиболее простые обратноходовые преобразователи напряжения могут быть собраны с использованием микросхем серии TDA4605 .

Микросхема проста в использовании, обладает малым количеством выводов, и имеет отечественные аналоги. Основные функциональные узлы этой микросхемы по казаны на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Функциональные узлы микросхемы TDA4605

Схема детектора понижения напряжения (ДПН) имеет управляющий вывод 3(Input for Primary Voltage Monitoring). При подаче на этот вывод напряжения более 1 В разрешается работа узлов микросхемы. Максимальное значение напряжения на этом выводе не должно превышать 6…7В. Возможность отключения источника питания замыканием этого вывода на общий провод схемы используется для дистанционного управления включением-выключением устройства.

Схема стабилизации напряжения состоит из усилителя сигнала ошибки и перегрузки (УОП), стопового компаратора (СК) и логической схемы (ЛС). Сигнал обратной связи , информирующий схему об уровне напряжения на нагрузке, подается на вывод 1 (Information Input Concerning Secondary Voltage).Схема стабилизации вырабатывает импульсы регулируемой скважности, которые усиливаются по току выходным каскадом с ограничителем тока (ВКТО) и подаются на выход микросхемы через вывод 5 (Output). Ток через этот вывод ограничен значением 1,5 А, напряжение – величиной, составляющей не более 70% от напряжения питания микросхемы.

Схема формирования пилообразного напряжения состоит из внешней частозадающей RC-цепи, подключаемой к выводу 2 (Information Input Redarding the Primary Current), стартового генератора импульсов (СГИ), блока опорных напряжений (ГОН и МОН), детектора нуля сигнала (ДНС).

Схема формирования пилообразного напряжения показана на рисунке 2.9 и работает следующим образом.

Рисунок 2.9- Узел формирования пилообразного напряжения и стабилизации

В момент начала очередного цикла преобразования схема стартового импульсного генератора (СГИ) вырабатывает стробирующий импульс (линия 5 на рисунке 2.10), открывающий силовой транзистор. В этот же момент размыкается внутренний коммутатор (КлСГИ) и начинается заряд конденсатора Cг через резистор Rг. Заряд сопровождается увеличением напряжения на выводе «2» микросхемы, начиная от значения Umin. Это напряжение сравнивается с напряжением обратной связи Uoc. Когда оба напряжения станут равными , компаратор (К) формирует импульс, закрывающий силовой транзистор (линия 3 на рисунке 2.10).

В этом случае в силовом трансформаторе должна, благодаря явлению самоиндукции, измениться полярность напряжения на обмотках. Момент изменения полярности фиксируется детектором нуля (ДНС). Детектор выдает стробирующий импульс (линия 4 на рисунке 2.10) ,который поступает на схему логики (ЛС), «разрешая» новое открытие транзистора ,которое произойдет не сразу, а в следующем такте. Транзистор остается закрытым, а напряжение на конденсаторе продолжает расти. Когда оно достигнет значения Umax,схема СГИ вырабатывает стробирующий импульс (линия 5 на рисунке 2.10), который одновременно сбросит напряжение на конденсаторе до Umin и откроет ключевой транзистор. Начнется новый цикл работы.

Рабочая частота преобразователя определяется не только параметрами времязадающей цепи Rг, Cг, но и разностью напряжений (Umax-Umin). При перегрузке , которая может возникнуть при обрыве нагрузки, данная схема снизит коэффициент заполнения управляющих импульсов до минимальной возможной величины , повысит рабочую частоту в несколько раз. Этот режим реализуется снижением опорного напряжения Umax. Рабочая частота преобразователя лежит в пределах 20…30 кГц , а защитная частота примерно равна 200 кГц.

Рисунок 2.10 - Графики, поясняющие работу узла стабилизации

Схема питания и защиты от КЗ вторичной обмотки также реализована в составе микросхемы. Режим короткого замыкания не опасен для силового транзистора обратноходового преобразователя, поскольку фазы накачки энергии и передачи ее в нагрузку разнесены во времени. Однако энергия в режиме КЗ будет рассеиваться на малом сопротивлении вторичной обмотки и выпрямительном диоде, что приведет к их разогреву. Чтобы исключить режим КЗ, в состав микросхемы был введен блок защиты от короткого замыкания. Рассмотрим принцип работы блока.

Питание микросхемы осуществляется через вывод 6 (Supply Voltage Input), и если напряжение на этом выводе падает ниже 7,25 В, микросхема переходит в режим импульсного включения с периодом, равным приблизительно 1 с. Длительность этого периода зависит от номиналов элементов (конденсатора и резистора) , подключенных к названному выводу. Поскольку обычная микросхема питается от дополнительной обмотки трансформатора, короткое замыкание силовой обмотки мгновенно отражается на напряжении, питающей микросхему. Максимально допустимое значение напряжения питания микросхемы составляет 16,5В при потребляемом токе в режиме запуска до 10 мА. Среднее значение потребляемого тока в рабочем режиме составляет 11мА.

Принципиальная схема обратноходового преобразователя на базе TDA4605 приведена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Принципиальная схема DC/DC преобразователя на базе микросхемы TDA4605

Теперь спроектируем накопительный трансформатор для обратноходового преобразователя. В данном случае трансформатор рассчитывается как дроссель, имеющий две обмотки, и также должен быть выполнен с зазором. Коэффициент трансформации определяется из соотношения:

k=UoutUin (2.1)

Число витков первичной обмотки:

w1=D*UinB*S*f, (2.2)

где Uin - минимальное входное напряжение, В;

B - амплитуда магнитной индукции в сердечнике,Тл;

S - площадь рабочего поперечного сечения сердечника, м2.

Минимальный объем магнитопровода можно определить исходя из допустимой температуры перегрева.

Определяем коэффициент трансформации исходя из минимального возможного напряжения питания 22 В.

k=3022=1,363 (2.3)

Определяем требуемую индуктивность первичной обмотки по формуле (13.19) исходя из коэффициента заполнения, равного 0,5:

L=D*1-D*Uin2*iout*f*k=0,5*1-0,5*222*17*25*103*1,363=0, 0047 мГн.

(2.4)

Определяем средний ток первичной обмотки:

i1=iout*k=17*1,363=23 А. (2.5)

Выбираем для нашей схемы магнитопровод типа Ш16×20 из феррита 2500HMC1 с площадью «окна» (S0) равной 4,18 см2, площадью поперечного сечения (S) равной 3,2 см2, длиной средней линии (lср) 12,3 см, объемом 32 см3.

Число витков первичной обмотки определяется по формуле (2.2):

w1=0,5*220,25*3,2*10-4*25*103=6 (витков)

Величина немагнитного зазора составит 0,12 мм (с учетом двойного зазора на Ш-образном магнитопроводе), объем магнитопровода по критерию допустимого перегрева -0,1 см3. Мы могли обойтись очень маленьким объемом магнитопровода, однако в данном случае определяющим является возможность размещения обмотки в его окне, что увеличивает размеры магнитопроводов на порядки по сравнению с оптимальными. Зазор необходимо обеспечить, приклеив на стык половинок магнитопровода электроизоляционные прокладки толщиной 0,12 мм.

Число витков вторичной обмотки (w2) составит 8. Имеется также обмотка обратной связи (w3),которая, во-первых, питает микросхему в рабочем режиме, во-вторых, является источником сигнала обратной связи для схемы регулирования напряжения и, в-третьих, служит датчиком для детектора нуля. Исходя из номинального напряжения 30 В число витков этой обмотки составит 8.

Диаметры обмоточных проводов выбираем из условия допустимой плотности тока не более 5А/мм2: d1 = 0,25 мм; d2 =0,6 мм; d3 =0,25 мм.

Поскольку обмотка w3 нагружена незначительно,мы намотаем ее тем же проводом, что используется для обмотки w2. Обмотка w2 должна быть намотана пучком проводов из 5 жил.

В качестве VD4 выбираем диод MUR460 класса ultra-fast производства фирмы Motorola (обратное напряжение 600В, допустимый прямой постоянный ток 4А, время обратного восстановления 75 нс). Можно также использовать отечественный диод КД247 или аналогичный.

В качестве выпрямительного диода используем диод Шоттки типа MBR1645. Поэтому для разрабатываемой схемы нужно изготовить радиатор с размерами 30×30×5мм. Конденсатор С9 рассчитан по методике, учитывая что он сглаживает напряжение с углом отсечки , не равным нулевому. Неполярный керамический конденсатор С8 необходим для шунтирования высших гармоник выходного напряжения, поэтому он присутствует на выходе фильтра. Сопротивление неотключаемой нагрузки R13составляет 18 кОм. Резистор R2 и конденсатор С6 образуют цепь запуска преобразователя. Через резистор R2 заряжается конденсатор С6, и при достижении напряжения на нем 7,25В микросхема выдает импульс открытия транзисторного ключа VT1. Появляющийся в обмотке w3 ток подзаряжает конденсатор С6, и в дальнейшем микросхема питается от этой обмотки. Величина резистора R2 в разных схемах колеблется от 22 до 100 кОм, а величина конденсатора С6 от 22 до 100 мкФ.

Конденсатор С2 обеспечивает плавность перехода в режим повышенной частоты и обратно. Делитель R4, R5 «следит» за уровнем питающего напряжения. Цепочка R9, R8 , R7 – цепь обратной связи , «следящая» за уровнем напряжения на вторичных обмотках. Резистор R8 выбран регулируемым для точной установки выходного напряжения. Конденсаторы С5 и С4 фильтруют резкие броски напряжения в переходных режимах. Диоды VD1 и VD2 – выпрямительные с возможно минимальным временем обратного восстановления. В силовой узел входит VD3 типа 1,5КЕ440А, транзистор VT1 и затворный резистор R6.

Потери переключения схемы с индуктивной нагрузкой составят 0,2 Вт. Статические потери (потери проводимости) составят 0,8Вт. Общие потери энергии на транзисторе составят 1 Вт. Итак габаритные размеры пластины 30×60×5мм.

2.4 Разработка системы управления DC/DC преобразователя на базе микроконтроллера

Разработка структурной схемы

Структурная схема DC/DC конвертера с микропроцессорным управлением, представлена на рисунке 2.12

Рисунок 2.12 - Структурная схема DC/DC преобразователя с микропроцессорной системой управления

В основе силовой части устройства, разработанного в данной диссертации, лежит преобразователь постоянного напряжения в регулируемое постоянное. Он построен по принципу ШИМ – инвертора.

Вторичный блок питания (ВБП) – предназначен для питания схем управления.

Система управления МБУ (Су МБУ) – служит для управления силовыми ключами, на основе ШИМ – контроллера, а также для контроля и регулирования выходного тока.

Преобразователь напряжения (ПН) – однотактный обратноходовой.

Силовые ключи (К) – предназначены для коммутации первичной цепи.

Дроссель (ДР) – служит для преобразования напряжения, в напряжение К раз большее . К – коэффициент трансформации.

Выходной фильтр (ВФ) – подавляет коммутационные выбросы.

Выбор управляющего контроллера

Для выбора контроллера был проведен анализ следующих серий микроконтроллеров широко представленных на рынке и используемых в аналогичных устройствах: AVR, PIC, MK-51. Основные требования к контроллеру: достаточное количество портов, объем памяти, простая реализация, стоймость, число таймеров и реализуемые функции, так же желательно выбирать контроллер со знакомой архитектурой и др.

AVR-контроллеры

AVR-микроконтроллер фирмы Атмел - это 8-разрядные RISC микроконтроллеры для встраиваемых приложений. Они привлекают внимание наилучшим соотношением показателей быстродействие/энергопо-требление, удобными режимами программирования, доступностью программно-аппаратных средств поддержки и широкой номенклатурой выпускаемых кристаллов. Микроконтроллеры обычно поставляются со стертыми встроенными FLASH и EEPROM блоками памяти, готовыми к программированию.

Улучшенная RISC (enhanced RISC) архитектура AVR-микроконтроллеров объединяет в себе комплекс решений, направленных на повышение быстродействия микропроцессорного ядра AVR. Арифметико-логическое устройство (ALU), в котором выполняются все вычислительные операции, имеет доступ к 32-м оперативным регистрам, объединенным в регистровый файл. Выборка содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл выполняются за один машинный цикл. Для сравнения полезно вспомнить, что большинство встраиваемых микроконтроллеров имеют только один такой регистр, непосредственно доступный ALU, - аккумулятор, что требует включения в программу дополнительных команд его загрузки и считывания.

PIC-контроллеры

Альтернативой может быть контроллер другой серии например PIC 16С745. PIC16C62X - это 8-pазpядные микpоконтpоллеpы с RISC аpхитектуpой, пpоизводимые фиpмой Microchip Technology. Это семейство микpоконтpоллеpов отличается низким энеpгопотpеблением и высокой скоpостью. Микpоконтpоллеpы имеют встpоенное ЭППЗУ пpогpаммы, ОЗУ данных и выпускаются в 18 и 28 выводных коpпусах.

Высокая скоpость выполнения команд в PIC достигается за счет использования двухшинной Гаpваpдской аpхитектуpы вместо тpадиционной одношинной Фон-Hеймановской. Гаpваpдская аpхитектуpа основывается на набоpе pегистpов с pазделенными шинами и адpесным пpостpанством для команд и для данных. Hабоp pегистpов означает, что все пpогpаммные объекты, такие как поpты ввода/вывода, ячейки памяти и таймеp, пpедставляют собой физически pеализованные аппаpатные pегистpы.

Память данных (ОЗУ) для PIC16CXX имеет pазpядность 8 бит, память пpогpамм (ППЗУ) имеет pазpядность 12 бит для PIC16C5X и 14 бит для PIC16CXX. Использование Гаpваpдской аpхитектуpы позволяет достичь высокой скоpости выполнения битовых, байтовых и pегистpовых опеpаций. Кpоме того, Гаpвадская аpхитектуpа допускает конвейеpное выполнение инстpукций, когда одновpеменно выполняется текущая инстpукция и считывается следующая. В тpадиционной же Фон-Hеймановской аpхитектуpе команды и данные пеpедаются чеpез одну pазделяемую или мультиплексиpуемую шину, тем самым огpаничивая возможности конвейеpизации.

MK-51-контроллеры

Третий известный и доступный вариант это серия МК-51 контроллеров. Помимо того что эта серия имеет большое количество разновидностей и МК семейства МК-51 используют гарвардскую архитектуру: память программ (ПЗУ) и память данных (ОЗУ) имеют раздельное адресное пространство. И, как следствие, для обращения к ячейкам памяти разного типа должны быть использованы разные типы команд но в определенных условиях эта технология является плюсом. Другое достоинство использование CISK архитектуры что позволяет упростить программу за счет поддержки команд умножения и деления. Максимальный размер адресного пространства для каждого типа памяти составляет 64 Кбайта. Однако непосредственно на кристалле МК 8051 АН располагаются только 4 Кбайта ПЗУ и 128 или 256 байт регистрового ОЗУ. МК семейства MCS-51 имеют открытую архитектуру, т.е. позволяют подключать внешнюю память, что реализовано аппаратно. МК-51 имеет четыре 8-разрядных параллельных порта ввода/вывода и два 16-разрядных программируемых таймера.

Рассматривая все вышеперечисленные микроконтроллеры и учитывая все необходимые параметры для разрабатываемого устройства, я остановила свой выбор на серии PIC. Мой выбор основывается, во-первых, на наиболее доступной цене при достаточности портов, памяти и функций, во вторых архитектура данного контролера мной изучена и поэтому более доступна для разработки.

Данный микроконтроллер выбран в связи с тем, что в его составе входит интегрированный восьмиканальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, так как его основной функцией является измерение напряжения, пропорционального значениям нагрузочного тока во вторичной цепи силового импульсного трансформатора. Возможность аппаратной поддержки подключения ОЗУ позволяет использовать его для хранения карты помещения, отмечая пройденный маршрут в массиве, расположенном в памяти.

Описание выбранного микроконтроллера

Микроконтроллеры PIC16С компании Microchip Technology Inc, являются 8 - разрядными микроконтроллерами, предназначенными для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISС архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотреб-ление. Микроконтроллеры описываемого семейства являются наиболее развитыми представителями микроконтроллеров PIC .

Основные характеристиками PIC16С620:

83 команд, большинство которых выполняется за один машинный цикл;
Оптимизированная архитектура и система команд для написания программ на языке С;
Система команд совместима с командами семейств PIC16C. Р1С17СиР1С18С;
Линейное адресное пространство памяти программ 32 кбайта;
Линейное адресное пространство памяти данных 1.5кбайт;
Быстродействие до 10MIPS;
Тактовая частота от DC до 4МГц;
Тактовая частота в режиме PLL от 4МГц до 10МГц;
16-разрядные команды. 8-разрядные данные;
Система приоритетов прерываний;
Аппаратное умножение 8x8 за один машинный цикл;
Высокая нагрузочная способность портов ввода/ вывода;
Три входа внешних прерываний;

Модуль TMR0: 8/16-разрядный таймер/счетчик с программируемым 8-разрядным предделителем;

Модуль TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик;
Модуль TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода (основной для ШИМ);
Модуль TMR3: 16-разрядный таймер/счетчик;
Вторичный генератор тактового сигнала на основе TMR1/TMR3;
Два модуля ССР;

Разработка принципиальной схемы МПСУ

Основу принципиальной схемы разработанного устройства с микропроцессорным управлением составляет микроконтроллер, 8-ми разрядный PIC микроконтроллер с 2 Кбайт Flash памятью с поддержкой внутрисистемного программирования.

На рисунке 2.13. представлена принципиальная схема повышающего DC-DC преобразователя на базе микроконтроллера.

Рисунок 2.13 - Принципиальная схема повышающего DC-DC преобразователя на базе микроконтроллера PIC16C620A

Принцип работы

Замыкая ключ на базе транзистора VT1, мы накапливаем энергию на катушке L1, которая рассчитывается по формуле (2.6):

E=L*I22, (2.6)

где L – индуктивность катушки;

I – ток.

Если принять допущение, что ток в катушке растёт линейно со временем, то энергия будет рассчитываться по формуле (2.7):

E=U2*T22L

(2.7)

где: U – питающее напряжение;

T – время накопления энергии;

L – индуктивность катушки.

Таким образом, управляя временем замыкания ключа VT1, мы влияем на величину энергии катушки. Это базовый принцип любого импульсного преобразователя, построенного на катушке. Работа тока катушки через открытый диод D1 преобразуется в энергию заряда конденсатора C2. Через делитель, образованный резисторами R5 и R6, контроллер получает обратную связь о выходном напряжении источника и корректирует время заряда катушки индуктивности.

Для управления ключом VT1 было принято решение использовать транзистор VT2.

Сигналы управления на транзисторы приходят непосредственно с контроллера. Важно, чтобы не было состояния, при котором оказываются открытыми верхний и нижний транзистор. Иначе – получим короткое замыкание.

Светодиоды HL1 и HL2 необходимы для индикации работы преобразователя. A1 и A2 – датчики тока серии LEM10-P. Они предназначены для измерения величины входного и выходного тока.

Разработка алгоритма работы микроконтроллера

Для написания алгоритма сначала определим основные задачи, которые должен решать микроконтроллер:

считывание значения тока;
диагностика;
регулирование по отклонению;
вывод на индикацию: перегрузка, перегрев, нет нагрузки, поломка;

Для управления устройства необходимо инициализировать порты микроконтроллера. Для управления необходимо инициализировать широтно-импульсный модулятор. Нужно учитывать, что в процессе работы окружающие условия могут изменяться (нагрев элементов, колебания входного напряжения), то необходима обратная связь. Для её организации необходимо измерить выходное напряжение и ток. Результат измерения сохраняем для вычисления отклонения текущего напряжения от заданного.

На рисунке 2.14 представлен алгоритм работы СУ

Рисунок 2.14 - Алгоритм работы СУ

Разработка программного обеспечения

Программа для микроконтроллера была написана в MPLAB.

MPLAB – это интегрированная среда разработки, работающая под управлением операционной системы Windows с множеством встроенных функций:

– организатор проекта;

– редактор;

– ассемблер;

– компилятор;

– отладчик;

– эмулятор.

MPLAB IDE имеет связь с различными программами генерации объектного кода:

– MPASM - ассемблер с поддержкой всех семейств микроконтроллеров PICmicro. Формирует код программы в шестнадцатеричном формате и создает объектный файл для MPLINK. Шестнадцатеричный код может быть использован для программирования микроконтроллера в программаторе;

– MPLINK - линкер объектов полученных от программ MPASM, MPLAB C17, MPLAB C18 и библиотек MPLIB;

– MPLIB - редактор библиотек откомпилированного кода, для работы с MPLINK.

Каждая программа может быть запущена отдельно.

В интегрированный пакет MPLAB IDE входят следующие модули:

MPLAB организатор проекта:

– организует проект, объединяя различные программно-аппаратные средства;

– позволяет вам создавать и редактировать исходный текст программы, формировать объектные и шестнадцатеричные файлы, имитировать работу программы;

– поддерживает связь с другими программами;

– гибкая настройка конфигурации;

MPLAB редактор текста:

– полнофункциональный редактор исходного текста программы ;

– создание шаблонов;

– MPASM универсальный ассемблер для всех семейств PICmicro;

– формирует код программы, используя разные источники (объекты) ;

– генерирует объектный код в различных форматах, для использования в САПР Microchip и других фирм.

MPLINK объектный линкер:

– объединяет объекты, полученные от различных программ в единый файл;

– формирует информацию для отладчика MPLAB.

MPLAB симулятор:

– возможность отладки программы, с практически неограниченным числом точек останова;

Исходный код программы представлен в приложении А.

3 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ DC/DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СОСТАВЕ ХИТ

3.1 Обзор способов моделирования электротехнических систем

Моделирование является основным методом исследований во всех областях знаний и научно обоснованным методом оценок характеристик сложных систем, используемым для принятия решений в различных сферах инженерной деятельности. Существующие и проектируемые системы можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных), реализуемых на современных ЭВМ, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.

В настоящее время нельзя назвать область человеческой деятельности, в которой в той или иной степени не использовались бы методы моделирования. Особенно это относится к сфере управления различными системами, где основными являются процессы принятия решений на основе получаемой информации.

Методологическая основа моделирования.

Все то, на что направлена человеческая деятельность, называется объектом (лат. objection — предмет). Выработка методологии направлена на упорядочение получения и обработки информации об объектах, которые существуют вне нашего сознания и взаимодействуют между собой и внешней средой.

В научных исследованиях большую роль играют гипотезы, т. е. определенные предсказания, основывающиеся на небольшом количестве опытных данных, наблюдений, догадок. Быстрая и полная проверка выдвигаемых гипотез может быть проведена в ходе специально поставленного эксперимента. При формулировании и проверке правильности гипотез большое значение в качестве метода суждения имеет аналогия.

Обобщенно моделирование можно определить как метод опосредованного познания, при котором изучаемый объект-оригинал находится в некотором соответствии с другим объектом-моделью, причем модель способна в том или ином отношении замещать оригинал на некоторых стадиях познавательного процесса. Стадии познания, на которых происходит такая замена, а также формы соответствия модели и оригинала могут быть различными:

1) моделирование как познавательный процесс, содержащий переработку информации, поступающей из внешней среды, о происходящих в ней явлениях, в результате чего в сознании появляются образы, соответствующие объектам;

2) моделирование, заключающееся в построении некоторой системы-модели (второй системы), связанной определенными соотношениями подобия с системой-оригиналом (первой системой), причем в этом случае отображение одной системы в другую является средством выявления зависимостей между двумя системами, отраженными в соотношениях подобия, а не результатом непосредственного изучения поступающей информации.

Моделирование начинается с формирования предмета исследований — системы понятий, отражающей существенные для моделирования характеристики объекта. Эта задача является достаточно сложной, что подтверждается различной интерпретацией в научно-технической литературе таких фундаментальных понятий, как система, модель, моделирование. Подобная неоднозначность не говорит об ошибочности одних и правильности других терминов, а отражает зависимость предмета исследований (моделирования) как от рассматриваемого объекта, так и от целей исследователя. Отличительной особенностью моделирования сложных систем является его многофункциональность и многообразие способов использования; оно становится неотъемлемой частью всего жизненного цикла системы. Объясняется это в первую очередь технологичностью моделей, реализованных на базе средств вычислительной техники: достаточно высокой скоростью получения результатов моделирования и их сравнительно невысокой себестоимостью.

Виды моделирования и их особенности.

Классификация видов моделирования систем Sприведена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Классификация видов моделирования систем

Детерминированное моделирование отображает процессы, в которых предполагается отсутствие всяких случайных воздействий; стохастическое моделирование отображает вероятностные процессы и события. В этом случае анализируется ряд реализаций случайного процесса и оцениваются средние характеристики, т. е. набор однородных реализаций.

Статическое моделирование служит для описания поведения объекта в какой-либо момент времени, а динамическое моделирование отражает поведение объекта во времени. Дискретное моделирование служит для описания процессов, которые предполагаются дискретными, соответственно непрерывное моделирование позволяет отразить непрерывные процессы в системах, а дискретно-непрерывное моделирование используется для случаев, когда хотят выделить наличие как дискретных, так и непрерывных процессов.

В зависимости от формы представления объекта (системы S)можно выделить мысленное и реальное моделирование.

Мысленное моделирование часто является единственным способом моделирования объектов, которые либо практически нереализуемы в заданном интервале времени, либо существуют вне условий, возможных для их физического создания. Например, на базе мысленного моделирования могут быть проанализированы многие ситуации микромира, которые не поддаются физическому эксперименту. Мысленное моделирование может быть реализовано в виде наглядного, символического и математического.

При наглядном моделировании на базе представлений человека о реальных объектах создаются различные наглядные модели, отображающие явления и процессы, протекающие в объекте. В основу гипотетического моделирования исследователем закладывается некоторая гипотеза о закономерностях протекания процесса в реальном объекте, которая отражает уровень знаний исследователя об объекте и базируется на причинно-следственных связях между входом и выходом изучаемого объекта. Гипотетическое моделирование используется, когда знаний об объекте недостаточно для построения формальных моделей.

Аналоговое моделирование основывается на применении аналогий различных уровней. Наивысшим уровнем является полная аналогия, имеющая место только для достаточно простых объектов. С усложнением объекта используют аналогии последующих уровней, когда аналоговая модель отображает несколько либо только одну сторону функционирования объекта.

Существенное место при мысленном наглядном моделировании занимает макетирование. Мысленный макет может применяться в случаях, когда протекающие в реальном объекте процессы не поддаются физическому моделированию, либо может предшествовать проведению других видов моделирования. Если ввести условное обозначение отдельных понятий, т. е. знаки, а также определенные операции между этими знаками, то можно реализовать знаковое моделирование и с помощью знаков отображать набор понятий — составлять отдельные цепочки из слов и предложений. Используя операции объединения, пересечения и дополнения теории множеств, можно в отдельных символах дать описание какого-то реального объекта.

В основе языкового моделирования лежит некоторый тезаурус. Последний образуется из набора входящих понятий, причем этот набор должен быть фиксированным. Следует отметить, что между тезаурусом и обычным словарем имеются принципиальные различия. Тезаурус — словарь, в котором каждому слову может соответствовать лишь единственное понятие, хотя в обычном словаре одному слову могут соответствовать несколько понятий.

Символическое моделирование представляет собой искусственный процесс создания логического объекта, который замещает реальный и выражает основные свойства его отношений с помощью определенной системы знаков или символов.

Под математическим моделированием будем понимать процесс уста-новления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики рассматриваемого реального объекта. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этой задачи.

Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений(алгебраических,интегродиференциальныхконечно-разностных и т.п.) или логических условий.

Имитационное моделирование позволяет по исходным данным получить сведения о состоянии процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы S.

Рассмотрим наиболее подробно 3 основных вида моделирования: физическое, математическое и имитационное.

Физическое моделирование

Физическое моделирование предусматривает воссоздание в физической модели тех же самых или аналогичных физических полей, что действуют и в объекте натуры, лишь измененных по своим абсолютным значениям в соответствии с масштабом моделирования. Одним из основных преимуществ физического моделирования является возможность осуществления прямых наблюдений за моделируемыми процессами .

Метод применяется при следующих условиях:

Исчерпывающе точного математического описания явления на данном уровне развития науки не существует, или такое описание слишком громоздко и требует для расчётов большого объёма исходных данных, получение которых затруднительно.
Воспроизведение исследуемого физического явления в целях эксперимента в реальных масштабах невозможно, нежелательно или слишком дорогостояще (например, цунами).

Метод состоит в создании лабораторной физической модели явления в уменьшенных масштабах, и проведении экспериментов на этой модели. Выводы и данные, полученные в этих экспериментах, распространяются затем на явление в реальных масштабах.

Метод может дать надёжные результаты, лишь в случае соблюдения физического подобия реального явления и модели. Подобие достигается за счёт равенства для модели и реального явления значений критериев подобия — безразмерных чисел, зависящих от физических (в том числе геометрических) параметров, характеризующих явление. Экспериментальные данные, полученные методом физического моделирования распространяются на реальное явление также с учётом критериев подобия.

В широком смысле, любой лабораторный физический эксперимент яв-ляется моделированием, поскольку в эксперименте наблюдается конкретный случай явления в частных условиях, а требуется получить общие закономерности для всего класса подобных явлений в широком диапазоне условий. Искусство экспериментатора заключается в достижении физического подобия между явлением, наблюдаемым в лабораторных условиях и всем классом изучаемых явлений.

Некоторые примеры применения метода физического моделирования:

Исследование течений газов и обтекания летательных аппаратов, автомобилей, и т. п. в аэродинамических трубах.
Гидродинамические исследования на уменьшенных моделях кораблей, гидротехнических сооружений и т. п.
Исследование сейсмоустойчивости зданий и сооружений на макетах.
Изучение устойчивости сложных конструкций, под воздействием сложных силовых нагрузок.
Измерение тепловых потоков и рассеивания тепла в устройствах и системах, работающих в условиях больших тепловых нагрузок.
Изучение стихийных явлений и их последствий.

Математическое моделирование.

Для исследования характеристик процесса функционирования любой системы S математическими методами, включая и машинные, должна быть проведена формализация этого процесса, т. е. построена математическая модель. Под математическим моделированием будем понимать процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики рассматриваемого реального объекта. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этой задачи.

Математическая модель — это приближенное описание какого-либо класса явлений или объектов реального мира на языке математики. Основная цель моделирования — исследовать эти объекты и предсказать результаты будущих наблюдений. Однако моделирование — это еще и метод познания окружающего мира, дающий возможность управлять им.

Основные этапы математического моделирования

1) Построение модели. На этом этапе задается некоторый «нематематический» объект — явление природы, конструкция, экономический план, производственный процесс и т. д. При этом, как правило, четкое описание ситуации затруднено. Сначала выявляются основные особенности явления и связи между ними на качественном уровне. Затем найденные качественные зависимости формулируются на языке математики, то есть строится математическая модель. Это самая трудная стадия моделирования.

2) Решение математической задачи, к которой приводит модель. На этом этапе большое внимание уделяется разработке алгоритмов и численных методов решения задачи на ЭВМ, при помощи которых результат может быть найден с необходимой точностью и за допустимое время.

3) Интерпретация полученных следствий из математической модели. Следствия, выведенные из модели на языке математики, интерпретируются на языке, принятом в данной области.

4) Проверка адекватности модели. На этом этапе выясняется, согласуются ли результаты эксперимента с теоретическими следствиями из модели в пределах определенной точности.

5) Модификация модели. На этом этапе происходит либо усложнение модели, чтобы она была более адекватной действительности, либо ее упрощение ради достижения практически приемлемого решения.

Имитационное моделирование

Имитационное моделирование на цифровых вычислительных машинах является одним из наиболее мощных средств исследования, в частности, сложных динамических систем. Как и любое компьютерное моделирование, оно дает возможность проводить вычислительные эксперименты с еще только проектируемыми системами и изучать системы, натурные эксперименты с которыми, из-за соображений безопасности или дороговизны, не целесообразны. В тоже время, благодаря своей близости по форме к физическому моделированию, это метод исследования доступен более широкому кругу пользователей.

В настоящее время, когда компьютерная промышленность предлагает разнообразнейшие средства моделирования, любой квалифицированный инженер, технолог или менеджер должен уметь уже не просто моделировать сложные объекты, а моделировать их с помощью современных технологий, реализованных в форме графических сред или пакетов визуального моделирования.

Определение понятия «имитационное моделирование».

В современной литературе не существует единой точки зрения по

вопросу о том, что понимать под имитационным моделированием. Так

существуют различные трактовки:

- в первой – под имитационной моделью понимается математическая модель в классическом смысле;

- во второй – этот термин сохраняется лишь за теми моделями, в которых тем или иным способом разыгрываются (имитируются) случайные воздействия;

- в третьей – предполагают, что имитационная модель отличается от обычной математической более детальным описанием , но критерий, по которому можно сказать, когда кончается математическая модель и начинается имитационная, не вводится;

Имитационное моделированием применяется к процессам, в ход которых может время от времени вмешиваться человеческая воля. Человек, руководящий операцией, может в зависимости от сложившейся обстановки, принимать те или иные решения, подобно тому, как шахматист глядя на доску, выбирает свой очередной ход. Затем приводится в действие математическая модель, которая показывает, какое ожидается изменение обстановки, в ответ на это решение и к каким последствиям оно приведет спустя некоторое время. Следующее текущее решение принимается уже с учетом реальной новой обстановки и т. д. В результате многократного повторения такой процедуры руководитель как бы «набирает опыт», учится на своих и чужих ошибках и постепенно выучиваться принимать правильные решения – если не оптимальные, то почти оптимальные.

Исходя из вышеописанного, сравнительный анализ приведен в таблице 3.

Таблица 3 - Сравнительный анализ способов моделирования

Виды моделирования

Достоинства

Недостатки

Физическое моделирование

- возможность изучения объектов с меньшими затратами (сырья, энер-гии, времени);

- возможность исследования объек-тов, в которых физико-химическая сущность процессов мало изучена;

- возможность проведения на мо-дели сложных измерений.

- возможность проявления свойств модели из-за несоответствия критериев подобия объекта и модели;

- необходимость применения аналогичных контрольно-измерительных приборов на модели и объекте;

- сложность построения физической модели;

- трудность достоверной переноса результатов на другие масштабы.

Математическое

моделирование

- возможность применения к объектам с неизвестными механизмами происходящих в них процессов

- возможность детального описания больших систем.

- новые явления, найденные в вычи-слительном эксперименте, требуют под-тверждения в реальном эксперименте;

- предопределенность результатов моде-лирования свойствами выбранного метода моделирования

-модель адекватна одним экспериментам, и неадекватна другим

Имитационное

моделирование

- разработка имитационной модели системы позволяет лучше понять реальную систему;

- годы практической эксплуатации реальной системы можно про-моделировать в течение нескольких секунд или минут

- моделирование не требует пре-рывания текущей деятельности реальной системы;

- моделирование можно исполь-зовать в качестве средства обучения персонала работе с реальной системой;

- моделирование можно исполь-зовать для анализа переходных процессов.

- моделирование может быть менее точным, поскольку в его основу положена генерация случайных чисел.

- для имитационного моделирования характерно недостаточное использование стандартизованных подходов.

Использование современных компьютерных технологий проектирования технических изделий обусловило их широкое применение при изучении студентами электротехнических дисциплин.

Развитие аппаратных средств вычислительной техники и неразрывно связанное с ним совершенствование программного обеспечения значительно расширили возможности известных программных пакетов моделирования электрических и электронных устройств. Практика применения программного пакета Multisim для выполнения схемотехнического моделирования режимов в электрических цепях показала, что достаточно быстро осваиваются основные приемы моделирования простых устройств с заданными параметрами.

Удобство применения программы Multisim при моделировании электрических устройств заключается в отображении на экране монитора схемы исследуемого устройства и контрольно-измерительных приборов, передние панели которых с органами управления максимально приближены к их промышленным аналогам. Это сводит виртуальный эксперимент к процедуре «сборки» схемы с измерительными приборами на экране монитора и выполнению измерений. Наличие в программе моделей электроизмерительных приборов позволило наряду с анализом процессов в электрических устройствах использовать Multisim для обучения.

Большой набор в Multisim управляемых источников электрической энергии, описываемых с помощью математических выражений и в том числе передаточных функций, позволяет моделировать не только электрические схемы, но и системы, содержащие элементы различной физической природы, например системы автоматического регулирования. В Multisim предусмотрено также использование моделей, созданных в программной системе Lab View, что обеспечивает возможность совместной разработки системы управления.

Современная версия программы Multisim 12 позволяет моделировать достаточно сложные устройства.

Для самостоятельного применения программы Multisim в научных исследованиях требуется глубокое знание функционирования программных средств и работы с ними. С этой целью приведены основы схемотехнического моделирования электротехнических устройств, способы формирования уравнений цепи и численные методы их решения, а также совокупность используемых в программной среде моделей и способов их описания.

При использовании сложных программных средств Multisim конечный результат может быть получен множеством различных способов. В предлагаемом пособии представлена приводящая к результату последовательность выполняемых операций, имеющая весьма хорошую наглядность.

3.2 Имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы

В процессе имитационного моделирования мы получили следующие результаты. На рисунке 3.2. изображена осциллограмма работы DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы TDA4605.

Рисунок 3.2 - Осцилограмма работы DC/DC преобразователя с системой управления на базе микросхемы TDA4605

Мы видим, что при подключении системы управления напряжение и ток стабилизируются и достигают необходимых параметров.

Область А1 показывает момент выравнивания уровня напряжения.

На рисунке 3.3 изображены форма сигнала напряжения и тока. Напряжение имеет пилообразную форму, а ток прямоугольную.

Рисунок 3.3 - Форма сигнала напряжения и тока

U1 и U2 пределы колебаний выходного напряжения.

3.3 Имитационное моделирование DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A

На рисунке 3.4. изображена осциллограмма работы DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A.

Рисунок 3.4 - Осциллограмма работы DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A

Область А2 показывает момент выравнивания уровня напряжения.

На рисунке 3.5 изображены форма сигнала напряжения и тока. Напряжение имеет синусоидальную форму, а ток прямоугольную.

Рисунок 3.3 - Форма сигнала напряжения и тока

U1 и U2 пределы колебаний выходного напряжения.

Анализируя полученные диаграммы, видим, что формы сигнала выходных токов и напряжений более сглажены при использовании DC/DC преобразователя с системой управления на базе микроконтроллера PIC16C620A. Это говорит о том, что для обеспечения необходимых параметров потребуется меньше энергии, т.к. частота преобразования будет меньшей. В связи с этим КПД работы системы управления на базе микроконтроллера PIC16C620A выше. Поэтому целесообразней использовать эту методику.

Заключение

К химическому источнику тока предъявляются жесткие требования по надежности, массе и габаритным размерам.

На основании проведенных исследований сформулирована постановка задачи разработки исследований.

Для достижения поставленной цели были реализованы следующие задачи:

проведен анализ существующих DC/DC-преобразователей с целью выбора типа преобразователя, наилучшим образом отвечающего предъявляемым требованиям;

- разработана система управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;

- разработана система управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;

- проведено имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микросхемы;

- проведено имитационное моделирование системы управления DC/DC- преобразователя ХИТ на базе микроконтроллера;

- сравнены результаты имитационного моделирования и предложен вариант наилучшим образом, отвечающий предъявляемым к химическому источнику тока требованиям.

В ходе выполнения работы были получены следующие научные и практические результаты.

Научные результаты исследования состоят в следующем:

- разработан алгоритм работы системы управления DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера;

Практические результаты исследования:

- разработана принципиальная схема СУ DC/DC – преобразователя на базе микросхемы;

- разработана принципиальная схема СУ DC/DC – преобразователя на базе микроконтроллера;

- разработана программа, реализующая алгоритм работы системы управления на базе микроконтроллера.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.powerinfo.ru /battery-li.php – Загл. с экрана.

2. Алтухов В.Л., Шапошников В.Ф. О перестройке мышления: философско-методологические аспекты. М., 1988.

3. Штофф В.А. Моделиpование и философия. М., Наука, 1999.

4. Амосов Н.М. Моделиpoвание мышления и психики. М., Наука, 1995.

5. Всемирная энциклопедия космонавтики. М., Военный парад, т.1, 2002 г. 504с.

6. Фаворский В.В., Мещеряков. Космонавтика и ракетно-космическая промышленность. м., Машиностроение, т.1 - Зарождение и становление - 343с., т.2 - Развитие отрасли. Сотрудничество в Космосе. 2003 г. - 430с.

7. Гришин С. Д., Лесков Л. В. Индустриализация космоса: проблемы и перспективы. М.: Наука, 1987. 350 с.

8. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному,М: Солон-Пресс, 2005.

9. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г. С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др. Под ред. Г. С. Найвельта.-М.: Радио и связь, 2000.

10. Зарубежные микропроцессоры и их аналоги. Том 1:О. В. Старостин — Санкт-Петербург, РадиоСофт, 2009 г.- 544 с.

11. Микропроцессорные системы и микроконтроллеры: Б. В. Костров, В. Н. Ручкин - Москва, ТехБук, 2007 г.- 320 с.

12. Основы силовой электроники: С. Рама Редди — Санкт-Петербург, Техносфера, 2006 г.- 288 с.

13. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Б. А. Калабеков - Москва, Горячая Линия - Телеком, 2007 г.- 336 с.

14. В.И. Лачин, Савелов Н.С. «Электроника». -Н 2007г.

15. Нудлер Г.И., Тульчик И.К,«Основы автоматизации ».М «Высшая школа» 2006г.

16. Исаакович Р.Я. «Технологические измерения и приборы». – М: «Недра» 2003г.

17. Розанов Ю. «Основы силовой электроники».-М «Высшая школа» 2001г.

18. Кудрявцев Н.Т. «Основы микропроцессорной техники» - Москва, 2009г.

Анфилатов В.С. Системный анализ. учебное пособие -М: Финансы и статистика, 2002.- 368с.

19. Самарский А.А., Михайлов А.П. математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры.-2е издание,испр.-м:Физматлит,2001.6320с.

20. Магистерская диссертация [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Диссертация.html. – Загл. с экрана.

21. Аверьянов А.Н. Системное познание мира: методологические проблемы. М., 2005.

Приложение А

Исходный код программы микроконтроллера

//----------- повышающий DC-DC преобразователь на базе PIC16C620A --------------

// период работы таймера. Исходим из частоты работы катушки: 20кГц, тогда 48 Мгц/ 20кГц = 2400

#define TimerPeriod 2400

#define ADC1_DR_Address 0x40012440

#define TIM1_DR_Address TIM1_BASE+0x24

#include "pic16c6xx.h"

void main();

void TIM_Config(void);

void ADC1_DMA_Config(void);

uint16_t porta, portb;

int16_t Power; // Мощность источникка питания

int16_t VoltageTable[50];

void main()

{

ADC1_DMA_Config();

TIM_Config();

porta = 0;

portb = 0;

while(1)

{

}

void TIM_Config(void)

{

// переменная, описывающая свойства порта

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// переменная описывающая свойства таймера

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

// переменная, описывающая свойства выхода сравнения

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

// переменная, устанавливающая некоторые свойства комплиметарных сигналов таймера

TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;

// переменная, описывающая свойства контроллера прерываний

// тактирование портов

RCC_AHBPeriphClockCmd( RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);

// порты выходящие на выходы сравнения таймера 1

// порт A10 - выход TIM1-CC3

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// порт B15 - выход TIM1-CC3N

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// сюда приходит таймер1

GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_2);

GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_2);

// подключаем тактирование таймера

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1 , ENABLE);

// установка параметров базы таймера

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = TimerPeriod;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);

// конфигурируем выход сравнения 3 (и его комплиментарный)

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // начальная установка "выключить все ключи"

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;

TIM_OC3Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);

// устанавливаем свойства защиты при работе с комплиментарными сигналами (величина мёртвого времени )

TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable; //состояние выходов когда разрешены выходы сравнения

TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable; //состояние выходов когда не разрешены выходы сравнения

TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable; // выход BREAK - не используем

TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; // полярность сигнала BREAK (не используем)

TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;

TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);

// генерируем события при срабатывании выхода сравнения 3

TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1, TIM_MasterSlaveMode_Enable);

TIM_SelectOutputTrigger(TIM1, TIM_TRGOSource_Update);

// запуск таймера

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

// разрешаем выходы

TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);

}

void ADC1_DMA_Config(void)

{

// переменные, отвечающие за свойства АЦП, портов, DMA

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

// переменная, описывающая свойства контроллера прерываний

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

// разрешаем прерывание от завершения работы DMA (копирование результата АЦП)

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

// подключаем тактирование портов и DMA

RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

// подключаем тактирование ADC1

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

// сбрасываем настройки АЦП

ADC_DeInit(ADC1);

// конфигурируем порт

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// настраиваем DMA, который будет запускаться в конце преобразований АЦП

// сбрасываем настройки канала обмена

DMA_DeInit(DMA1_Channel1);

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)ADC1_DR_Address;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)VoltageTable;

DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 50;

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;

// ждём флага "можно"

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_ADEN));

ADC_StartOfConversion (ADC1);

}

Просмотров работы: 4112

Код для цитирования:

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ DC/DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

Студенческий научный форум - 2014
VI Международная студенческая научная конференция