Разработка и исследование преобразователей постоянного напряжения с микропроцессорным управлением

Разработка и исследование преобразователей постоянного напряжения с микропроцессорным управлением на базе платформы Arduino. ...

1. Анализ технического задания и постановка задачи…………………..
1.1 Технические требования к разрабатываемому исследовательскому комплексу……………………………………………
1.2 Структурная схема лабораторного стенда……………….............
1.3 Функциональная схема исследовательского комплекса…….......
2. Расчет силовой части исследуемых преобразователей……………….
2.1 Понижающий импульсный ППН………………………………....
2.1.1 Структурная схема преобразователя………………..............
2.1.2 Вывод основных расчетных соотношений………………….
2.1.3 Расчет силовых элементов понижающего ППН……………
2.2 Повышающий импульсный ППН…………………………………
2.2.1 Структурная схема преобразователя………………………..
2.2.2 Выводы основных расчетных соотношений……………….
2.2.3 Расчет силовых элементов повышающего ППН…………...
3. Исследование корректора коэффициента мощности………………...
3.1 Пакет виртуального моделирования MatLab Simulink…………..
3.2 Метод «граничного» управления………………………………….
3.2.1 Моделирование ККМ с «граничным» управлением……….
3.2.1.1 Описание виртуальной модели………………………
3.2.1.2 Настройка параметров виртуальной модели………..
3.2.1.3 Результаты моделирования…………………………..
3.2.1.3.1 Установившийся режим………………………
3.2.1.3.2 Режим включения……………………………..
3.3 Метод управления по пиковому значению тока…………………
3.3.1 Моделирование ККМ с управлением по пиковому значению тока………………………………………………………………
3.3.1.1 Описание виртуальной модели………………………
3.3.1.2 Настройка параметров виртуальной модели………..
3.3.1.3 Результаты моделирования…………………………...
3.3.1.3.1 Установившийся режим……………………….
3.3.1.3.2 Режим включения…………………...................
3.4 Метод разрывных токов с использованием ШИМ….....................
3.4.1 Моделирование ККМ по методу разрывных токов с использованием ШИМ…………………………………………………….
3.4.1.1 Описание виртуальной модели………………………
3.4.1.2 Настройка параметров виртуальной модели……......
3.4.1.3 Результаты моделирования…………………………..
3.4.1.3.1 Установившийся режим……………………….
3.4.1.3.2 Режим включения……………...........................
4. Микропроцессорная система управления…………...............................
4.1 Функциональная схема МПСУ…………………………………….
4.2 Принципиальная схема МПСУ…………………………………….
4.3 Основные характеристики микроконтроллеров семейства ATmega...........................................................................................................

Проблема преобразования энергии возникает при решении многих научно-технических задач в самых разнообразных отраслях народного хозяйства.
Электрическая энергия вырабатывается в основном на переменном токе промышленной частоты. Это обусловлено простотой изготовления генераторов для его получения, обладающих большой надежностью, удобством преобразования переменного тока.
Вместе с тем наблюдается тенденция к повышению удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе. Это связано с тем, что часть потребителей может работать только на постоянном токе. Другая часть потребителей имеет на постоянном токе лучшие характеристики и параметры.
Это привело к тому, что стало уделяться большое внимание интенсивной разработке и внедрению мощных преобразователей постоянного напряжения.
Преобр азователи постоянного напряжения (ППН), позволяют преобразовывать напряжение постоянного тока одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, большее или меньшее входного напряжения.
ППН широко используются для электропитания переносной и передвижной электронной аппаратуры, а также во вторичных источниках питания стационарных объектов. В последнем случае они являются одним из основных узлов, определяющих массогабаритные и энергетические показатели аппаратуры.
В силовых схемах ППН в настоящее время наряду с биполярными транзисторами широко применяются полевые и IGBT транзисторы, работающие в ключевом режиме.
В системах управления импульсных высокочастотных преобразователей напряжения используются специализированные интегральные ШИМ-контроллеры. Современным направлением в области разработки ППН является применение микропроцессорных систем (МПС) с управлением от ЭВМ.
Для генерации ШИМ-сигнала в таких системах, как правило, используются микроконтроллеры среди периферийных устройств, которых имеются таймеры-счетчики с соответствующими режимами работы. Управление работой МПС осуществляется пользователем с ЭВМ верхнего уровня с помощью специализированного программного обеспечения. Такой виртуальный интерфейс системы позволяет в наглядной форме управлять режимами ее работы и визуально пронаблюдать происходящие при этом изменения.

10).3.2.1.3 Результаты моделированияДля запуска процесса моделирования необходимо из главного меню математических программ MATLAB запустить ППП Simulink. Вывести на экран дисплея виртуальную модель корректора коэффициента мощности. Затем необходимо запустить модель, и после окончания процесса моделирования на экраны виртуальных осциллографов будут выведены осциллограммы напряжений и токов, установленные при настройке виртуальных блоков.Рисунок 3.10 – Настройка параметров симуляции3.2.1.3.1 Установившийся режимНа экране осциллоскопа Scope можно наблюдать мгновенные значения тока дросселя (первый дисплей), тока нагрузки (второй дисплей) и напряжения на нагрузке (третий дисплей) в установившемся режиме, которые показаны на рисунке 3.11 и на чертеже 22020165.Д11.350.10.00Д.Рисунок 3.11 - Токдросселя, ток нагрузки и напряжение на нагрузке в установившемся режимеНа экране осциллоскопа Scope 1 отображаются мгновенные значения тока (первый дисплей) и напряжения силового транзистора (второй дисплей) в установившемся режиме (рисунок 3.12).Рисунок 3.12 - Ток и напряжение силового транзистора в установившемся режиме3.2.1.3.2 Режим включенияНиже приведены осциллограммы характеризующие процесс включения ККМ (рисунки 3.12, 3.13).Рисунок 3.12 – Ток дросселя, ток нагрузки и напряжение на нагрузке в режиме включенияРисунок 3.13 – Ток и напряжение силового транзистора в режиме включения3.3 Метод управления по пиковому значению токаФункциональная электрическая схема системы управления реализующая данный метод представлена на рисунке 3.13. Открывание силового ключа осуществляется по сигналу от тактового генератора (ТГ). За закрывание ключа отвечает сигнал, полученный перемножением мгновенного значения эталонного входного напряжения, снимаемого с выпрямителя, и напряжения усилителя ошибки выходного напряжения (УОН). Этот сигнал сравнивается компаратором К с суммой сигналов с датчика тока и с источника пилообразного напряжения (ПГ) той же частоты, что и у тактового генератора. Характер изменения потребляемого тока отличается от приведенного выше и имеет вид, представленный на рисунке 3.14. Преимущества данного метода:постоянная частота переключения; режим безразрывных токов, сопровождающийся малыми выбросами тока при меньшем его среднеквадратическом значении, что позволяет применять малогабаритный входной фильтр; необходимость только одного датчика тока, позволяющего ограничить пиковое значение тока дросселя в пределах каждого такта.Рисунок 3.13 - Схема управления по пиковому значению токаРисунок 3.14 - Диаграммы токов при управлении по пиковому значению токаНедостатки:искажения формы кривой входного тока, возрастающие при уменьшении нагрузки и при увеличении входного напряжения; чувствительность к помехам, возникающим при коммутации; жесткие условия закрывания силового диода, приводящие к увеличению динамических потерь и, как следствие, к высокому уровню высокочастотных помех.Для реализации данного метода можно использовать контроллер ML4812 фирмы Micro Linear, а так же ML4819 того же производителя, выполняющий помимо функции коррекции КМ функции ШИМ-преобразова-теля. Микросхема ML4819 может стать удобным интегрированным решением для создания импульсного источника питания с входным ККМ.3.3.1 Моделирование ККМ с управлением по пиковому значению тока3.3.1.1 Описание виртуальной моделиВиртуальная модель ККМ представлена на рисунке 3.15.Виртуальная модель содержит: источник переменного напряжения (AC Voltage Source); силовой транзисторный модуль на MOSFET-транзисторе с обратным диодом (Mosfet); последовательную накопительную индуктивность (дроссель) (Series RL);диод (Diode);активно-емкостную нагрузку (Parallel RС);RS триггер (S-R Flip-Flop);Усилитель (Gain);Блоки сравнения (Compare To Zero, Relational Operator);Блок логического оператора “и” (Logical Operator);измерители токов в индуктивности (Current) и нагрузке (Current 1);умножители (Product,Product1,Product2);измерители напряжения на индуктивности (Voltage 1) и нагрузке (Voltage);блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в индуктивности, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока и напряжения силового модуля (Scope 2);блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока и напряжения на обратной связи(Scope 1);блоки Demux для передачи сигналов.Рисунок 3.15 - Виртуальная модель ККМ с управлением по пиковому значению токаВыпрямленное напряжение питания поступает на повышающий ПН. Дроссель, накапливающий энергию, представлен в виде элемента Series RL, состоящего из резистора сопротивлением 0,01 ОМ и катушки индуктивностью 500мкГ. Переключение дросселя для осуществления заряда-разряда обеспечивается элементом Mosfet, который, в свою очередь, управляется через цепь обратной связи с широтно-импульсной модуляцией (ОС с ШИМ). Диод Diode обеспечивает блокировку цепи нагрузки на время заряда дросселя Series RL, чтобы предотвратить разряд через открытый ключ конденсатора Сф, входящего в состав элемента Parallel RC и имеющего ёмкость 1000мкФ. Конденсатор Сф обеспечивает сглаживание выходного напряжения, которое подается на нагрузку (резистор сопротивлением 50 Ом), входящей в состав элемента Parallel RC, и в цепь ОС с ШИМ.Открывание силового ключа Mosfet осуществляется по сигналу от тактового генератора Pulse generator с постоянной частотой 10кГц. За закрывание ключа Mosfet отвечает сигнал, полученный перемножением мгновенного значения эталонного входного напряжения, снимаемого с выпрямителя, и напряжения усилителя ошибки выходного напряжения (ОС с ШИМ). Этот сигнал сравнивается компаратором Relational Operator с суммой сигналов с датчика тока и с источника пилообразного напряжения такой же частоты, что и у тактового генератора. Генератор пилообразного напряжения построен на основе элемента Integrator со входом сброса и элемента Constant1 для задания частоты генератора.В схеме управления преобразователя используются две петли обратной связи. Одна цепь ОС стабилизирует выходное напряжение преобразователя. Вторая цепь ОС отслеживает потребляемый из сети ток, обеспечивая его синусоидальную форму. Сигнал ОС по выходному напряжению, подаётся на умножитель (делитель) Product, который определяет отношение выходного напряжения к эталонному значению (400В). Полученный коэффициент ошибки ограничивается элементом Saturation и перемножается с напряжением датчика тока, определяя сдвиг верхнего порога тока переключения дросселя. Далее сигнал поступает на вход умножителя.3.3.1.2 Настройка параметров виртуальной моделиБольшинство используемых в модели блоков описаны раннее, поэтому приведем описание и параметры настройки только новых блоков.Новыми блоками в данной модели являются импульсный генератор (Pulse Generator), необходимый для управления силовым транзистором, и интегратор(Integrator), для генерации пилообразного напряжения.Параметры генератора (Pulse Generator) задаются в окне параметров (рисунок 3.16). В исследуемой модели установлены следующие параметры генератора:амплитуда импульсов Amplitude = 1В;период импульсов Period = 0,0001 с. (частота f = 10000 Гц);ширина импульсов Period Width = 50%.Рисунок 3.16 – Настройка параметров генератораУ интегратора необходимо задать в поле External Reset значение rising, как показано на рисунке 3.17, а остальные значения по умолчанию.Рисунок 3.17 – Настройка параметров интегратора3.3.1.3 Результаты моделированияНиже представлены результаты моделирования ККМ с постоянной частотой преобразования в различных режимах работы.3.3.1.3.1 Установившийся режимНа экране осциллоскопа Scope можно наблюдать мгновенные значения тока дросселя (первый дисплей), тока нагрузки (второй дисплей) и напряжения на нагрузке (третий дисплей) в установившемся режиме (рисунок 3.18).На экране осциллоскопа Scope2 отображаются мгновенные значения тока (первый дисплей) и напряжения силового транзистора (второй дисплей) в установившемся режиме (рисунок 3.19).Рисунок 3.18 - Ток дросселя, ток нагрузки и напряжение на нагрузке в установившемся режимеРисунок 3.19 - Ток и напряжение силового транзистора в установившемся режиме3.3.1.3.2 Режим включенияНиже приведены осциллограммы характеризующие процесс включения ККМ (рисунки 3.20, 3.21).Рисунок 3.20 - Ток дросселя, ток нагрузки и напряжение на нагрузке в режиме включенияРисунок 3.21 - Ток и напряжение силового транзистора в режиме включения3.4 Метод разрывных токов с использованием ШИМДанный метод близок к «граничному» методу. Различие заключается в том, что открывание ключа Q осуществляется не по достижению нуля тока дросселя L, а по сигналу от тактового генератора (ТГ). В этом случае определенное время ток дросселя будет равен нулю, что и характеризует режим разрывных токов. Функциональная схема показана на рисунке 3.22, а форма кривой тока — на рисунке 3.23.Рисунок 3.22 - Схема метода разрывных токов с использованием ШИМРисунок 3.23 - Диаграммы токов при управлении по методу разрывных токов с использованием ШИМПреимущества: постоянная частота переключения; постоянное время открытого состояния ключа; простая схема ШИМ-управления; «мягкие» условия переключения силового диода.Недостатки: режим разрывных токов; увеличенные масса и габариты ФЭМП. Как правило, трудно дать однозначный ответ, какая микросхема будет наиболее эффективна для применения в каждом конкретном случае. В данном проекте используется микросхема TOP202 от фирмы Power Integration. Она представляет собой трехвыводную микросхему с интегрированным ШИМ генератором, силовым ключом и цепями сравнения. Принципиальная схема ККМ представлена на чертеже 22020165.Д11.350.02.00 Э3.3.4.1 Моделирование ККМ по методу разрывных токов с использованием ШИМ3.4.1.1 Описание виртуальной моделиВиртуальная модель ККМ представлена на рисунке 3.24, которая является частью чертежа 22020165.Д11.350.09.00Д.Рисунок 3.24 - Модель корректора коэффициента мощности с управлением по методу разрывных токовВ отличие от метода граничного управления, открывание ключа в данной модели осуществляется не по достижению нуля тока дросселя, а по сигналу от тактового генератора Pulce generator следующего с постоянной частотой. 3.4.1.2 Настройка параметров виртуальной моделиПараметры генератора (Pulse Generator) задаются в окне параметров (рисунок 3.25). В исследуемой модели установлены следующие параметры генератора:амплитуда импульсов Amplitude = 1В;период импульсов Period = 0,001 с. (частота f = 1000 Гц);ширина импульсов Period Width = 35%.Рисунок 3.25 – Окно настройки параметров генератора импульсов3.4.1.3 Результаты моделированияНиже представлены результаты моделирования ККМ по методу разрывных токов в различных режимах работы.3.4.1.3.1 Установившийся режимНа экране осциллоскопа Scope можно наблюдать мгновенные значения тока дросселя (первый дисплей), тока нагрузки (второй дисплей) и напряжения на нагрузке (третий дисплей) в установившемся режиме (рисунок 3.26).На экране осциллоскопа Scope 1 отображаются мгновенные значения тока (первый дисплей) и напряжения силового транзистора (второй дисплей) в установившемся режиме (рисунок 3.27).Рисунок 3.26 - Ток дросселя, ток нагрузки и напряжение на нагрузке в установившемся режимеРисунок 3.27 – Ток и напряжение силового транзистора в установившемся режиме3.4.1.3.2 Режим включенияНиже приведены осциллограммы характеризующие процесс включения ККМ (рисунки 3.28, 3.29).Рисунок 3.28 – Ток дросселя, ток нагрузки и напряжение на нагрузке в режиме включенияРисунок 3.29 – Ток и напряжение силового транзистора в режиме включения4. Микропроцессорная система управления 4.1 Принципиальная схема МПСУПринципиальная схема микропроцессорной системы управления приведена на рисунке 4.1.Принципиальная схема включает в себя основные узлы:микроконтроллеры ATmega8U2-MU и ATmega8;узел индикации MT–16S2H;датчик температуры DHT11;драйвер шагового двигателя ULN2003A;шаговый двигатель;4.2 Основные характеристики микроконтроллеров семейства ATmegaВ качестве ядра микропроцессорной системы выбран микроконтроллер компании Atmel семейства Mega – ATmega328P.Как и все микроконтроллеры AVR фирмы «Atmel», микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами, предназначенными для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC - архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Контроллеры описываемого семейства являются наиболее развитыми представителями микроконтроллеров AVR.Рисунок 4.1 – Принципиальная схема микропроцессорной системы управленияМикроконтроллеры семейства Mega обладают следующими отличительным особенностям:усовершенствованная AVR RISC архитектура; раздельные шины памяти команд и данных, 32 регистра общего назначения; производительность, приближающаяся к 1 MIPS/МГц;внутрисхемно программируемая Flash-память программ, 1000 циклов записи/стирания память данных EEPROM, 100000 циклов записи/стирания;блокировка режима программирования; полностью статическая архитектура - работа при тактовой частоте от 0 Гц до 20 МГц;диапазон напряжений питания от 1,8 В до 7,0 В; возможность самопрограммирования;возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG);различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой или с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым); внешний сигнал синхронизации;наличие нескольких режимов пониженного энергопотребления;наличие детектора снижения напряжения питания (brown-out detector,BOD).Основные характеристики процессора микроконтроллеров семейства Mega:АЛУ подключено непосредственно к регистрам общего назначения;большинство команд выполняются за один машинный цикл;полностью статическая архитектура; минимальная тактовая частота равна нулю;многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерываний;наибольшее число источников прерываний (до 27 источников, из них до 8 внешних);наличие программного стека во всех моделях семейства;наличие аппаратного умножители.Вес характеристики подсистема ввода/вывода микроконтроллеров семейства Mega такие же, как и у микроконтроллеров других семейств:программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;выводы могут быть запрограммированы как входные или как выходные независимо друг от друга;входные буферы с триггером Шмитта на всех выводах;возможность подключения ко всем входам внутренних подтягивающих резисторов (сопротивление резисторов составляет 5...120кОм).Микроконтроллеры семейства Mega имеют наиболее богатый набор периферийных устройств (ПУ). При этом в большинстве моделей имеются все ПУ, которые вообще встречаются в составе микроконтроллеров AVR. Этими устройствами являются:8-разрядные таймеры/счетчики (таймеры Т0 и Т2). В ряде моделей эти таймеры/счетчики могут работать в качестве часов реального времени (в асинхронном режиме);16-разрядные таймеры/счетчики (таймеры Т1 иТ3);сторожевой таймер WDT;генераторы сигнала с ШИМ разрядностью 8 бит (один из режимов работы 8-разридных таймеров/счетчиков Т0 и Т2);одно-, двух- и трехканальные генераторы сигнала с ШИМ регулируемой разрядности (один из режимов работы 16-разрядных таймеров Т1 и ТЗ). Разрешение ШИМ-сигнала для разных моделей составляет 8...10 бит или 1... 16 бит;аналоговый компаратор;многоканальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами;полнодуплексный универсальный асинхронный приемопередатчик (UART);полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик (USART);последовательный синхронный интерфейс SPI;последовательный двухпроводный интерфейс TWI (аналог интерфейса I2С).Еще одним решением, направленным на повышение быстродействия, является использование технологии конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнении текущей команды производится выборка из памяти и дешифрация кода следующей команды. Причем, поскольку длительность машинного цикла микроконтроллеров AVR составляет всего один период тактового генератора, они могут обеспечивать ту же производительность, что и RISC-микроконтроллеры других фирм, но при более низкой тактовой частоте.Структурная схема микроконтроллера изображена на рисунке 2.3.В состав микроконтроллера входят:генератор тактового сигнала (GCK);процессор (CPU);постоянное запоминающее устройство для хранения программы, выполненное по технологии Flash, (FlashROM);оперативное запоминающее устройство статического типа для хранения данных (SRAM);постоянное запоминающее устройство для хранения данных, выполненное по технологии EEPROM, (EEPROM);набор периферийных устройств для ввода и вывода данных и управляющих сигналов и выполнения других функций.Рисунок 4.3 –Структурная схема микроконтроллера AVR5 Описание датчиков и модулей входящих в состав исследовательского комплекса5.1 Функциональная схема исследовательского комплексаНа рисунке 5.1 приведена функциональная схема исследовательского комплекса.Рисунок 5.1 – Функциональная схема исследовательского комплексаИсследовательский комплекс включает в себя следующие элементы:микропроцессорная система Arduino;жк дисплей;шаговый двигатель;двигатель постоянного тока;сервопривод;датчик температуры и влажности;модуль реле;USB порт.Микроконтроллер выполняет функции контроллера клавиатуры (опрашивает соответствующий порт на наличие изменения уровня хотя бы на одном из его выводов), выполняет опрос датчика, производит индикацию полученного значения, полученного с датчика, на дисплей ПК. Через микроконтроллер (по средством генерации ШИМ сигнала) происходит управление работой шагового двигателя, сервопривода. Так же микроконтроллер обрабатывает данные поступающие с датчика напряжения. Датчик температуры представляет собой недорогой интеллектуальный датчик DHT11.Обмен информацией между микроконтроллером МП и ЭВМ ВУ происходит по последовательному каналу связи USB. Преобразователь уровня ПУ используется для согласования уровней сигналов МП и уровней используемый в USB.5.2 Датчик влажности и температурыТехнические характеристики датчика влажности и температуры DHT11Датчик температуры, влажности DHT11 AM2302 используется для измерения и передачи на контроллер в виде цифрового сигнала показателей температуры и влажности среды, в которой он находится.Для использования датчика, сначала, нужно собрать на его основе макет (подключить питание, подключить к контроллеру, поместить датчик в среде измерения).Датчик содержит в себе АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) для преобразования аналоговых значений влажности и температуры. При подключении датчика к микроконтроллеру, рекомендуется между выводами VCC и SDA разместить подтягивающий pull-up резистор номиналом 10 кОм. Контроллеры Arduino имеют встроенные pull-up резисторы (порядка 100кОм). Управление датчиком осуществляется или от Arduino контроллера, или от другого управляющего микропроцессорного устройства с помощью специальных программ. Датчик температуры, влажности DHT11 имеет один интерфейс для подключения к микроконтроллеру - 4-х контактный штыревой интерфейс для подключения к микроконтроллеру.  Контакты:SDA – контакт для обмена данными между датчиком и микроконтроллером;VCC – напряжение питания;GND – общий контакт;третий контакт - не используется. Рис. 5.2 Схема контактов датчика влажности и температуры Питание датчика осуществляется или от Arduino контроллера, или от другого управляющего микропроцессорного устройства, или внешнего источника питания (блока питания, батареи). Напряжение питания датчика 3,3 – 5,5В. Рекомендуемое напряжение питания 5 В.5.2 Интерфейс USBСвязь между МПСУ и ЭВМ ВУ осуществляется по последовательному интерфейсу.Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициирована весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.