Экспериментальные исследования аварийных процессов в импульсных системах преобразования энергии в режиме реального времени

Полный текст

В современном мире для питания электронной аппаратуры за счет малых массогабаритных показателей и высокого к. п. д. наибольшее распространение получили импульсные системы преобразования энергии (ИСПЭ). При этом в них можно выделить несколько недостатков, таких как высокий уровень пульсаций выходного напряжения и низкая электромагнитная совместимость, а также возможность возникновения нежелательных нелинейных явлений, которые усугубляют указанные недостатки и способствуют выходу из строя системы питания и всего оборудования в целом [1]. Для исследования динамики ИСПЭ требуется экспериментальная система, которая позволяет автоматизировано менять основные параметры силовой части и регулятора в широких пределах, а также апробировать алгоритмы по прогнозированию, идентификации и устранения нежелательных нелинейных явлений в режиме реального времени.

Экспериментальная установка (рисунок 1) состоит из следующих элементов: Силовая часть (Блок питания, понижающий преобразователь напряжения (ППН), нагрузка), ШИМ-регулятор, блок управления, аналоговый фильтр низких частот (ФНЧ), блок обработки данных (БОД), ЭВМ.

 

Рисунок 1 – Структурная схема экспериментальной установки

 

Источник питания АТН-4235 фирмы «Актаком» задает входное напряжение в ИСПЭ. Источник питания имеет 4 канала. Диапазон значений выходного напряжения регулируемых каналов: 0...30 В. Диапазон значений выходного тока регулируемых каналов: 0...5 А [2].

Импульсный преобразователь построен по типовой схеме синхронного понижающего преобразователя напряжения DC-DC, в котором предусмотрено ручное варьирование емкости выходного конденсатора в диапазоне 10…400 мкФ.

Электронная нагрузка Array 3720A позволяет программно задавать значения сопротивления нагрузки. Электронная нагрузка способна работать в 4 режимах: стабилизация тока (CC), стабилизация напряжения (CV), стабилизация нагрузки (CR) и стабилизация мощности (CP). При стабилизации нагрузки диапазон значений – 0,02…2000 Ом, максимальный ток – 33А. Электронная нагрузка имеет поддержку стандарта SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments). Управление значениями нагрузки осуществляется с помощью команд SCPI, через преобразователь интерфейсов USB–RS-232 [3].

ШИМ-регулятор выполнен на аналоговых элементах и реализует широтно-импульсную модуляцию второго рода [4]. В регуляторе предусмотрено автоматическое управление коэффициентом усиления (α) в диапазоне 0…100 и частотой ШИМ в диапазоне 8…50 кГц посредством ЦАП TLC5615 и цифровых потенциометров AD8402 R1, R2.

Для задания параметров ШИМ регулятора в экспериментальной системе предусмотрен дополнительный блок управления, который принимает команды от ЭВМ по протоколу ModBus RTU [5] через преобразователь USB-UART и преобразует их в формат цифровых потенциометров и ЦАП интерфейса SPI, формат которого для указанных микросхем представлен на рисунках 2 и 3.

 

Рисунок 2 – Формат данных ЦАП TLC5615 интерфейса SPI

 

Рисунок 3 – Формат данных цифровых потенциометров AD8402 интерфейса SPI

 

В основе блока управления находится микроконтроллер STM32F030, работающий на частоте 48 МГц и имеющий в своем составе интерфейсы UART, SPI, Timer, 15 линий GPIO.

Применение протокола ModBus RTU, который является доминирующим в промышленности автоматизации, позволяет отвязаться от специализированного программного обеспечения и использовать «стандартные» продукты, такие как SCADA-системы или OPC-сервер.

Modbus – открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре master-slave (главный – ведомый). Формат кадра показан на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Формат кадра ModBus RTU

 

В ModBus RTU режиме сообщение начинается с интервала тишины равного времени передачи 3,5 символов при данной скорости передачи в сети.

Была написана библиотека протокола ModBus, реализованная посредством механизма прерываний. Используются прерывания по завершению приема UART и по таймауту. Также реализована возможность замены прерывания по таймауту на таймер, которая позволяет использовать более ранние версии МК семейства STM32 и прочие. Применение механизма прерываний и аппаратных интерфейсов позволяет снизить нагрузку на ядро процессора и распараллелить операции передачи данных.

При поступлении данных от UART’a в обработчике соответствующего прерывания считывается принятый байт в буфер и увеличивается счетчик, определяющий длину пакета. По завершению передачи пакета срабатывает таймаут и вызывается функция анализа пакета. На первом этапе подсчитывается CRC16 и сравнивается с принятой. В случае успеха проверяется адрес, затем номер функции.

В библиотеке реализованы функции:

• 03 (04) – Read Holding (Input) Registers;
• 06 – Preset Single Register;
• 16 – Preset Multiple Registers.

Функции 03/04 – чтение регистров могут быть полезны для определения текущих параметров и данных, 06/16 – запись одного (несколько регистров) используются для установки параметров. На данный момент используется три параметра: частота генератора пилообразного напряжения (ГПН), R1 и R2, их адреса регистров соответственно 0, 1, 2.

По окончании анализа пакета формируется буфер для ответа мастеру, а также команда для последующей отправки ее через интерфейс SPI, который реализован аппаратно. На время передачи команды SPI «опускается в ноль» одна из линий C̅S̅, фронт которой может быть использован для синхронизации с другими блоками, например блоком обработки данных.

Для передачи ответа мастеру используется прерывание по окончанию передачи. МК отправляет первый байт из буфера через интерфейс UART и разрешает прерывание. Затем в его обработчике отправляются последовательно остальные данные, до тех пор, пока не будет передан весь буфер.

Аналоговый ФНЧ (фильтр Бесселя) позволяет уменьшить амплитуды высших гармоник и, как следствие, – наложение частот в результате аналого-цифрового преобразования. Фильтр построен на микросхеме MAXIM MAX292, на основе переключаемых конденсаторов. Частота среза определяется внешним тактовым генератором и находится в диапазоне 0.1 Гц – 25 кГц, порядок – 8 [6]. На входе фильтру подается сигнал i с датчика тока ИСПЭ, на выходе фильтрованный сигнал if. Для задания частоты среза на тактовый вход фильтра подается сигнал с частотой 2 МГц.

Для питания микросхемы фильтра требуется ±5 В. относительно «земли». Для получения двуполярного напряжения операционным усилителем формируется «виртуальная земля» с дополнительным транзисторным каскадом на выходе.

Блок обработки данных представлен в виде платы STM32F429i-Discovery, имеет процессор разрядностью 32 бита и тактовой частотой 180 МГц, 144 порта ввода/вывода, три 12-битных АЦП, 17 16- и 32-битных таймера, работающих на частоте до 180 МГц, четыре интерфейса UART, контроллер прямого доступа к памяти, встроенную флеш-память объемом 2 МБ, математический сопроцессор. Блок обработки данных осуществляет оцифровку сигналов, математические преобразования над оцифрованными данными, анализ данных, отправку результатов на ЭВМ.

Блок сбора данных представляет собой 2 платы сбора:

E20-10, фирмы ООО «Л-Кард» (г.Москва), которая независимо от остальных блоков снимает временные ряды Uн, i от ИП СF, КF от Р и передаёт на ЭВМ через интерфейс USB.

NI USB-6361 фирмы «National Instruments», предназначенную для получения временных рядов. Плата имеет 16 аналоговых входных (inputs) каналов с максимальной частотой дискретизации 2 МГц, 2 аналоговых выходных канала, 24 цифровых каналов ввода/вывода с максимальной частотой дискретизации 10 МГц, четыре 32-битных таймера [7].

Осциллограф имеет 4 изолированных гальванически развязанных канала, полосу пропускания 100 МГц, скорость дискретизации на канал 1 Млрд. Выборок/с. Также осциллограф имеет возможность записывать снимаемые сигналы на карту памяти.

ЭВМ задает параметры регулятора, сохраняет и визуализирует данные. Для управления экспериментальной системой было разработано программное обеспечение на основе SCADA-системы TraceMode 6. Пример графического интерфейса оператора представлен на рисунке 5. Пользователь может плавно вручную изменять параметры путем нажатия на кнопки «+» и «–», или задать новое произвольное значение, нажав на само число, при этом появится новое окно «передать». При этом значения задаются в условных единицах в диапазоне [0...255], что соответствует сопротивлению 40..10000 Ом. Общая формула расчета коэффициента усиления определяется формулой:

Для удобства пользователя SCADA вычисляет и отображает значение коэффициента усиления П-звена. Для проведения серии экспериментов можно задать начальное, конечное значение и шаг. Затем после нажатия на кнопку «Старт» система в автоматическом режиме запустится и будет изменять параметры.

 

Рисунок 5 – Интерфейс пользователя

 

Блок обработки данных начинает свою работу с инициализации: аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), контроллера прямого доступа к памяти (ПДП), универсального асинхронного приёмопередатчика (UART), и настройки векторов прерываний. С завершением инициализации выполняется очистка флеш-памяти и старт АЦП. После БОД переходит в режим ожидания (бесконечный цикл). После получения синхроимпульса блоком обработки данных осуществляется вызов прерывания. В обработчике прерывания сохранение и обработка данных.

В ходе эксперимента ЭВМ каждую секунду изменяет и задает значение коэффициента усиления регулятора (α) в указанном пользователем диапазоне с определенным шагом. Одновременно с изменением α посылается синхроимпульс в блок обработки данных. После получения синхроимпульса блоком обработки данных осуществляется вызов внешнего прерывания, в обработчике которого запрещается внешнее прерывание и выполняется небольшая задержка, с целью ожидания окончания переходного процесса. После чего разрешается прерывание прямого доступа к памяти, и блок обработки данных переходит в режим ожидания. АЦП осуществляет непрерывную оцифровку фильтрованного сигнала if. Во время преобразований происходит сохранение преобразованных данных в буфере АЦП с помощью контроллера ПДП. После заполнения буфера вызывается прерывание прямого доступа к памяти. В обработчике прерывания ПДП выполняется запрет прерывания ПДП и начинается обработка данных буфера.

 

Рисунок 6 – Блок-схема основного алгоритма блока обработки данных

 

Рисунок 7 – Блок-схема алгоритма обработчика внешнего прерывания

 

Примеры полученных результатов экспериментальных исследований приведены на рисунках 8 и 9.

На рисунке 8а показан эксплуатационный процесс в ИСПЭ, который представляет собой устойчивый периодический процесс преобразования энергии с частотой ШИМ. В результате потери устойчивости происходит изменение частотных и пульсационных характеристик процесса преобразования энергии и возникает аномальный процесс – рисунок 8б.

На рисунке 9 показан результат работы БОД, реализующего быстрое преобразование Фурье на 1024 точки.

 

Рисунок 8 – Эксплуатационный процесс (а); аномальный процесс (б)

 

Рисунок 9 – Спектрограмма сигнала

 

Заключение

Показанная в статье экспериментальная система позволяет проводить комплексные исследования нелинейных динамических процессов в режиме реального времени. Автоматизация изменения параметров позволяет гибко настраивать систему для разных типов экспериментов, блочная организация и стандартные интерфейсы позволяют просто модернизировать экспериментальную установку в дальнейшем.

Об авторах

Евгений Александрович Годовников

Югорский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: judchin@rambler.ru

Кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных системы обработки информации и управления Института (НОЦ) систем управления и информационных технологий Югорского государственного университета

Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16

Руслан Талгатович Талгатович Усманов

Югорский государственный университет

Email: usmanoruslan@yandex.ru

Инженер Лаборатории управления и информационных технологий Института (НОЦ) систем управления и информационных технологий Югорского государственного университета

Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16

Список литературы

Дополнительные файлы