Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

Интеллектуализация электронных устройств

Силкин Владимир


В статье рассмотрен вопрос наделения электронных устройств свойствами, отличными от основных функций, за счет свободных средств в области управления конкретного устройства. Предлагаемый материал основан на работе автора над системой статических преобразователей напряжения и сделанных в процессе работы обобщениях. Выдвинутые в статье предложения базируются на современных достижениях в системотехнике и схемотехнике.

Предисловие

В современных электронных устройствах, прежде всего в части управления, все больше используются цифровые методы. В качестве ядра звена управления чаще применяются цифровые сигнальные процес соры. Производительность ЦСП растет поразитель ными темпами, зачастую значительно опережая тре бования, предъявляемые к ним в сфере функцио нального управления конкретным электронным устройством. Возникает резонный вопрос: «Нельзя ли использовать излишние мощности управления с выгодой для функционирования всей системы в це лом?» В данной статье автор попытался ответить на этот вопрос, основываясь на материале, получен ном при работе над проектом в области источников вторичного электрического питания. Однако, дума ется, что предложенный путь может быть использо ван и в других областях электроники.

Интеллектуальные силовые модули как пример «интеллектуализации» электронных устройств

Развитие элементной базы силовой электроники при вело к созданию нового класса электронных уст ройств — интеллектуальных силовых модулей. Интел лектуальные силовые модули объединяют в осебе си ловой каскад, драйвер и устройство защиты. Пример использования такого устройства производства фир мы SEMIKRON представлен на рис. 1.

Рис. 1

Кроме основной функции (формирование задан ного выходного сигнала) на интеллектуальные си ловые модули возлагаются следующие защитные и сервисные задачи:

  • защита от короткого замыкания и перегрузки по току;
  • защита от перенапряжения по силовой шине питания;
  • защита от снижения напряжения источников питания;
  • защита от перегрева;
  • защита от импульсных перенапряжений и инверсии напряжения питания;
  • защита от пробоя на корпус;
  • фильтрация коротких импульсов;
  • защита от сквозного тока и формирование времени задержки переключения транзисторов полумоста;
  • нормирование фронтов входных сигналов;
  • ограничение уровня входных сигналов;
  • защита от выхода из насыщения каждого силового ключа;
  • гальваническая развязка между элементами схемы.

Интеллектуальные свойства модулей характери зует принятое для них определение — область безо пасной работы (ОБР). ОБР определяет допустимые сочетания токов и напряжений, при которых не на рушается безопасная работа модуля. В данном виде электронных устройств интеллектуальные свойст ва возложены на аналоговую часть, а именно на драйвер. Дополнив интеллектуальный силовой модуль платой управляющего контроллера, сило выми элементами, интерфейсным устройством и блоком питания, мы получим функционально за конченное изделие. Вот здесь и встает вопрос о воз можности использования избыточной производи тельной мощности контроллера в целях совершен ствования работы всего изделия.

Вариант дополнения ряда функциональных возможностей устройства за счет свободных мощностей системы управления

Использование дополнительного алгорит ма управления для предотвращения насыще ния выходного трансформатора.

В качестве примера рассмотрим ча сто встречающуюся схему полномосто вого инвертора напряжения с выход ным трансформатором, приведенную на рис. 2.

Схема полномостового инвертора с выходным трансформатором
Рис. 2. Схема полномостового инвертора с выходным трансформатором

Смоделированная под оболочкой Capture в среде OrCAD 9.2 система управления фор мирует выходное напряжение, представлен ное на рис. 3, посредством ШИМсигнала, изо браженного на рис. 4.

Выходное напряжение моделируемой схемы
Рис. 3. Выходное напряжение моделируемой схемы
Управляющий ШИМ-сигнал модулируемой схемы
Рис. 4. Управляющий ШИМ-сигнал модулируемой схемы

Представленные рисунки иллюстрируют работу схемы в однозначно заданных усло виях. В реальных условиях существует мно жество дестабилизирующих факторов, алго ритм работы инвертора направлен на ком пенсацию влияния этих факторов. При этом в рамках выполнения основного алгоритма существует вероятность достижения насыще ния трансформатора (рис. 5), что может при вести к аварии.

Кривая намагниченности магнитного сердечника трансформатора
Рис. 5. Кривая намагниченности магнитного сердечника трансформатора

Дополнив основной алгоритм работы не сложным защитным алгоритмом (рис. 6) и ис пользуя незначительные свободные ресурсы системы управления, мы сможем избежать не желательных последствий.

Алгоритм управления для предотвращения насыщения выходного трансформатора
Рис. 6. Алгоритм управления для предотвращения насыщения выходного трансформатора

Логика работы представленного алгорит ма основана на принципе самосохранения и предусматривает прекращение выполнения основного функционального раздела алго ритма (в данном случае, возможно, коррек ции формы выходного напряжения) с целью предотвращения выхода из строя всей систе мы в целом. Но дополнительный алгоритм не отключает систему, в рассматриваемом случае в жертву приносится качество выход ного сигнала. То есть используется один из принципов, присущих интеллекту, — принцип самосохранения.

Дополнительный алгоритм динамичес кого регулирования выходного тока.

Представленный на рис. 7 алгоритм дина мического регулирования выходного тока поз волит дополнить функциональный ряд уст ройства следующими возможностями:

Алгоритм динамического регулирования выходного тока
Рис. 7. Алгоритм динамического регулирования выходного тока
  • динамическим выравниванием выходного тока при параллельном включении;
  • динамическим регулированием выходного тока при его неаварийном изменении.

За основу принята суперпозиция двух ва риантов динамического изменения выходно го тока — посредством изменения величины промежуточного постоянного напряжения и изменением коэффициента регулирования kр. Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения величины промежуточного постоянного напряжения представлен на рис. 8.

Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения величины промежуточного постоянного напряжения
Рис. 8. Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения величины промежуточного постоянного напряжения

Функциональный алгоритм регулирова ния выходного тока путем изменения коэффи циента регулирования kр, подготовленный под оболочкой Capture, представлен на рис. 9.

Рис. 9. Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения коэффициента регулирования k<sub>р</sub>
Рис. 9. Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения коэффициента регулирования kр

Процесс динамического регулирования вы ходного тока посредством изменения величи ны промежуточного постоянного напряжения наглядно изображен на рис. 10. Необходимо отметить отображенный на рисунке рост ве личины выходного тока от 37 до 48 А при из менении значения промежуточного постоян ного напряжения от 350 до 450 В.

Процесс динамического регулирования выходного тока посредством изменения величины промежуточного постоянного напряжения
Рис. 10. Процесс динамического регулирования выходного тока посредством изменения величины промежуточного постоянного напряжения

Динамическое регулирование выходного тока путем изменения коэффициента регу лирования kр представлено на рис. 11. Дан ный рисунок наглядно отображает рост ве личины выходного тока от 19 до 41 А при изменении коэффициента регулирования kр от 0,4 до 0,9.

Динамическое регулирование выходного тока путем изменения коэффициента регулирования k<sub>р</sub>
Рис. 11. Динамическое регулирование выходного тока путем изменения коэффициента регулирования kр

Представленные алгоритмы не относятся к сфере функционально необходимых, но до полнив основной алгоритм комплексом вспо могательных, мы сможем значительно расши рить возможности и улучшить качественные показатели изделия в целом. Действительно, функциональные возможности в данном слу чае мы расширяем за счет возможности па раллельного включения, а качественные по казатели улучшаем путем несомненного по вышения надежности устройства.

В качестве обобщения обозначим несколь ко положений.

  1. Предлагаемый метод наделения электронных устройств различными функциональными свойствами, отличными от основных, может быть применен ко всем электронным устройствам, имеющим цифровую систему управления и свободные мощности управления.
  2. Метод основывается не на схемотехнических, а на системотехнических принципах, и позволяет сделать качественные достижения и расширить функциональные возможности в основном при помощи программно-алгоритмических действий.
  3. Исходя из предыдущего положения, можно отметить, что метод «интеллектуализации» позволяет в тех же схемотехнических границах и при той же стоимости достичь значительного роста качества изделия в целом.
  4. Еще одним достоинством предлагаемого метода является возможность его глубокой формализации, и следовательно,объективной оценки возможных изменений.

В заключение необходимо отметить, что предлагаемое решение адресовано компетент ным специалистам и поможет им в решении многих задач на новом уровне. Компетентность подразумевает в данном случае не только тех нические знания, но и возможность доступа к процессу изменения программно-алгорит мических параметров системы. Действитель но, кто как не такой специалист может знать узкие места функционирования своей систе мы и квалифицированно применить предла гаемый метод.

Литература

  1. SEMIKRON Application Manual, Power Modules. SEMIKRON International. 2000.
  2. Силкин В. Пример создания комплекса алгоритмов управления высококачественными статическими преобразователями напряжения // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
  3. Колпаков А. SKiiP — интеллектуальные силовые модули IGBT фирмы SEMIKRON //Компоненты и технологии. 2003. № 1.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке