Организация устройства управления импульсным стабилизатором напряжения на базе микроконтроллера

ВестникКрасГАУ. 2015. №8

жиров и углеводов по граммам следующее: 1 : 1,2 : 4,6. В рацион питания лесных пожарных включены разнообразные продукты, включающие белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, микроэлементы и витамины в соответствующих сочетаниях и количествах.

Выводы. В условиях тушения лесных пожаров обоснованным и физически выгодным считается 4-разовое питание, которое создает равномерную нагрузку на органы пищеварения и обеспечивает наиболее полную ферментативную её обработку. Суточное распределение рациона рекомендуется следующее: 1-й завтрак - 10-15 %; 2-й завтрак - 25-30 %; обед - 40-45; ужин - 1520 %. Распределение питания по времени должно осуществляться в зависимости от конкретных условий, но в определенные промежутки времени. При тяжелом труде количество потребляемой жидкости на одного лесного пожарного составляет 6-8 л в сутки.

Проект нормативов питания лесных пожарных прошёл производственную проверку в региональных авиабазах и отправлен для утверждения в Агентство лесного хозяйства Российской Федерации.

Литература

1. Головина ИЛ. Снижение веса: метод. рекомендации. - Красноярск, 1999. - 21 с.

2. Коломийцев Ф.М. Профилактика преждевременной старости. - М.: Медицина, 1964. - 98 с.

3. Классификация основных видов работ и профессий по степени вредности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса в лесном хозяйстве - М., 1997. - 140 с.

4. Гигиенические критерии оценки и классификации условий труда по показателям вредности и опасных факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса. -

М.: Агрохим, 2000. - 162 с.

УДК 681.323 Н.В. Титовская, С.Н. Титовский

ОРГАНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ СТАБИЛИЗАТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Изложены результаты исследований применимости микроконтроллеров в управлении импульсными стабилизаторами напряжения.

Ключевые слова: микроконтроллер, импульсный стабилизатор напряжения, управление.

N.V. Titovskaya, S.N. Titovsky

ORGANIZATION OF THE PULSE VOLTAGE STABILIZER CONTROL UNIT ON THE MICRO-CONTROLLER BASE

The research results of the micro-controller applicability in the control of the pulse voltage stabilizers are presented.

Key words: micro-controller, pulse voltage stabilizer, control.

Введение. В настоящее время применению цифрового контура управления в импульсных стабилизаторах напряжения (ИСН) уделяется пристальное внимание, так как он исключает температурный и временной дрейф параметров схемы, свойственный аналоговым устройствам. В опубликованных к настоящему времени материалах [1-3] приводятся схемы стабилизаторов с микроконтроллерными устройствами управления различного назначения, но, к сожалению, в них отсутствуют сведения о возможной частоте работы стабилизатора, оказывающей значительное влияние на параметры стабилизатора в целом.

Цель исследования. Оценка применимости микроконтроллеров в управлении импульсным

87

Технические науки

стабилизатором напряжения.

Задача исследования. Определение возможных скоростных характеристик импульсного стабилизатора напряжения с микроконтроллерным управлением.

Методы исследования. Экспериментальное исследование макетного образца.

Как было показано в [4], устройство управления (УУ) ИСН на уровне «черного ящика» имеет три входа и один выход (рис. 1).

Ujiht

Цдиф

Upa_c

Устройство управления импульсным стабилизатором

напряжения

Управление

ключом

Рис 1. УУ ИСН:

иинт - напряжение с выхода интегратора, изменяющееся в диапазоне 0+3 В; идиф - переменная (дифференциальная) составляющая выходного напряжения, изменяющегося для статического режима работы (при неизменном сопротивлении нагрузки) в диапазоне ±20 мВ; ирас -напряжение рассогласования каналов (для многоканального варианта стабилизатора), изменяющееся в диапазоне 0+3 В

Задачей УУ является формирование выходного импульса управления ключом стабилизатора, длительность которого является функцией от входных напряжений

Тимп = Р(11инт, идиф, ирас).

В результате моделирования работы стабилизатора было выявлено, что для инвертирующего интегратора наилучшие результаты получаются при использовании следующей функции [5, 6]: Тимп = Тп • (иинт, - (5 • идиф, - 1.5 • идифм) / n - ирас) / Umax, где i - номер такта работы стабилизатора;

Тп - длительность такта (период) работы стабилизатора;

n - количество каналов в стабилизаторе;

итах - условное максимальное напряжение (напряжение, при котором длительность выходного импульса совпадает с периодом).

В [4] показано, что использование встроенного в микроконтроллер ATxmega128A1 [7, 8] аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приводит к недостаточно хорошим показателям работы ИСН вследствие большого времени и невысокой точности преобразования.

Для устранения указанных недостатков встроенный АЦП микроконтроллера заменен на внешний АЦП, в качестве которого был выбран 8-канальный 12-разрядный АЦП MAX1308 [9], имеющий при использовании внутреннего 15 МГц тактового генератора время преобразования 800 нс (время от момента запуска до появления результата преобразования первого канала), погрешность ±1 квант и шкалу ±5 В.

Как было показано в [4], приемлемые параметры работы стабилизатора получаются только при усилении идиф, поэтому в состав устройства управления, помимо АЦП, был введен предварительный усилитель с коэффициентом усиления 16, что объясняется соотношением диапазона изменения идиф и шкалы MAX1308.

Схема функционирования получившегося устройства управления представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема УУ ИСН

88

ВестникКрасГАУ. 2015. №8

Диапазон изменения иинт также приведен к шкале ±5 В.

С учетом погрешности аналого-цифрового преобразования, оцененной по методике [4], длительность выходного импульса вычисляется по формуле

Тимп, = Тп • {[Шинт,- (5 • Ыдиф/ - 1.5 • Цдифм) /16 - 11рас/] +

+ 2,4065 • Д} / Umax,

и поскольку для указанного АЦП оценка погрешности выглядит следующим образом:

Д = ±1 • (5-(-5))/212 « ±2,4 (мВ),

оценка погрешности вычисления выражения в квадратных скобках составляет

S = 2,4065 • Д « ±5,8 (мВ).

Из сопоставления S c диапазонами изменения входных напряжений видно, что для иинт и ирас погрешность S составляет не более 0,12 и 0,19 % соответственно и не окажет существенного влияния на формирование Тимп этими напряжениями. Для идиф усиление в 16 раз увеличивает диапазон до ±320 мВ. Сопоставив диапазон изменения идиф, увеличенный в 5 раз с S, получаем погрешность на уровне 1,8 %.

Реализация устройства управления стабилизатором заключается в соединении операционного усилителя, АЦП и микроконтроллера, при этом порт С микроконтроллера использован для передачи управляющих сигналов, порты D и E - для передачи данных между АЦП и микроконтроллером. Для исключения необходимости расширять знак кода, полученного с АЦП, его старший (знаковый) разряд подключен к пяти старшим разрядам порта E.

Подключение дифференциальных сигналов к АЦП MAX1308 не предусмотрено, поэтому положительные сигналы Цинт и Црас соединены с информационными входами АЦП, а отрицательные - непосредственно с контактом MSV (Midscale voltage), относительно которого фактически производятся измерения. Сигнал Цдиф в дифференциальном виде подключен к входам операционного усилителя, расположенного в непосредственной близости к АЦП, с выхода которого поступает на информационный вход АЦП.

Оцифрованные данные с АЦП считывались после окончания всех преобразований, так как результаты преобразований с отдельных каналов появляются через 200 нс, в то время как минимальная длительность обработки прерывания (только вход и выход) составляет 13 тактов процессора (приблизительно 400 нс).

Схема подключения такого устройства управления приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема включения микроконтроллера и АЦП

Требуемая организация функционирования микроконтроллера реализуется с помощью программы, в которой используется следующая схема функционирования микроконтроллерного устройства управления стабилизатором напряжения (рис.4).

89

Технические науки

Рис. 4. Программно-аппаратная организация УУ ИСН

Все управление стабилизатором напряжения производится двумя основными обработчиками прерываний:

- обработчиком прерываний от канала CCA таймера-счетчика (ТС) TCD1;

- обработчиком прерываний от входа С5 микроконтроллера.

Импульс запуска с контакта C7 через канал событий EvSys0 своим передним фронтом перезапускает ТС TCD1, работающий в режиме захвата частоты (frequency capture). Одновременно канал CCA счетчика фиксирует время, прошедшее с момента предыдущего запуска, т.е. длительность периода запуска Тп, и вызывает прерывание, обработчик которого помещает зафиксированную длительность периода в регистры R30, R31 процессора.

Тот же фронт импульса запуска через канал событий EvSys1 перезапускает ТС TCC0, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (single slope pulse width modulation). Для запуска аналого-цифрового преобразователя используется канал CCB счетчика, что позволяет задержать момент запуска АЦП по отношению к моменту коммутации ключа силовой части стабилизатора, сопровождающемуся значительными импульсными помехами.

Сигнал с выхода CCB через контакт С1 поступает на вход CONVST (Conversion Start) и запускает АЦП. Поскольку запуск происходит по нарастающему фронту, выходной импульс канала CCB подается на вход CONVST в инверсном виде за счет перевода контакта С1 в инверсный режим работы.

После завершения преобразования данных всех каналов АЦП вырабатывает сигнал EOLC (End Of Last Conversion), поступающий на вход С5 микроконтроллера, который в свою очередь по падающему фронту вызывает прерывание. Обработчик прерывания, подавая на АЦП через вывод С2 сигналы чтения (RD), через порты D и E считывает двухбайтовые коды входных напряжений Цинт, Цциф, фас. Далее в обработчике выполняется расчет Тимп на основании полученных значений Тп, Цинт, Цдиф, Црас. Поскольку используется 12-разрядный АЦП, Umax принято равным 2047. В этом же обработчике вычисляется и помещается в регистры процессора R28, R29 1,5 • Цдиф (Цпред), которое будет использоваться в расчетах следующего периода запуска.

В рассматриваемом варианте стабилизатора используется модуляция переднего фронта импульса управления ключом, поэтому выход СО переведен в инверсный режим работы, и в канал CCA счетчика TCCO в качестве длительности импульса помещается разность Тп - Тимп.

В программе имеется два дополнительных обработчика прерываний от каналов CCA и CCB ТС TCCO, не показанные на рисунке 4, использующиеся в отладочных целях для контроля моментов времени появления характерных событий.

Вышеописанная реализация устройства управления стабилизатором позволила получить приемлемые результаты на частоте работы 40 КГц (Тп=25 мкс), так как оцифровка входных напряжений и расчет занимают приблизительно 7,6 мкс. Контрольные моменты времени показаны на осциллограммах на рисунке 5 короткими импульсами отрицательной полярности.

90

ВестникКрасГАУ. 2015. №8

1 V/Div 5 uS/Div Trig ext. О

а

б

Рис. 5. Осциллограммы работы УУ ИСН

На рисунке 5,а показан один период работы стабилизатора, на рисунке 5,б - в более крупном масштабе время аналого-цифрового преобразования и расчетов.

На приведенных осциллограммах в нижней части изображены импульсы запуска стабилизатора, в верхней - четыре импульса, отмечающих следующие моменты времени (слева направо):

- вход в обработчик прерывания от канала CCA ТС TCD1;

- запуск АЦП (прерывание от канала CCB ТС TCC0);

- окончание оцифровки входных напряжений (прерывание от входа C5);

- окончание расчетов (выход из обработчика прерывания от входа C5) и возможное начало выходного импульса открывания силового ключа стабилизатора (в случае его максимальной длительности).

Из них видно, что на частоте 40 КГц максимальная длительность выходного импульса не превышает 70 % от периода, и с увеличением частоты работы стабилизатора будет уменьшаться, что в свою очередь уменьшает диапазон изменения выходного тока, при котором наблюдается неизменное выходное напряжение.

91

Технические науки

Выводы. Проведенное исследование показало, что применение внешнего быстродействующего высокоточного АЦП в сочетании с микроконтроллером позволяет достичь частоты работы ИСН порядка 40 КГц, которая ограничивается производительностью процессора, а также повысить качество стабилизации выходного напряжения.

Литература

1. URL: http://avr.ru/ready/contr/power/power.

2. URL: http://cxem.net/pitanie/5-144.php.

3. URL:http://vintehno.at.ua/news/stabilizator_setevogo_naprjazhenija_na_atmega8535_so_srednekv adratichnym_voltm etrom_n a_tiri sto rakh/2012-03-16-3.

4. Титовская Н.В., Титовский С.Н. Применение микроконтроллера ATxmega в устройстве управления импульсным стабилизатором напряжения // Вестник КрасГАУ. - 2015. - № 7.

5. Лукас В.А. Теория автоматического управления: учеб. для вузов. - М.: Недра, 1990.

6. Иванчура В.И., Краснобаев Ю.В. Модульные быстродействующие стабилизаторы напряжения с ШИМ. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006.

7. URL: http://catalog.gaw.ru/index.php?page=document&id=41617.

8. URL: http://catalog.gaw.ru/index.php?page=document&id=41616.

9. URL: http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1304-MAX1314.pdf.

УДК 539.3 АД. Матвеев

РАСЧЕТ ТРЕХМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ БАЛОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХСЕТОЧНЫХ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ*

В данной работе изложена процедура построения двухсеточных конечных элементов (ДвКЭ) для расчета трехмерных упругих композитных балок, имеющих постоянное поперечное сечение сложной формы. Предлагаемые ДвКЭ описывают трехмерное напряженное состояние в композитных балках, учитывают их неоднородную структуру и сложную форму, порождают дискретные модели малой размерности. Реализация метода конечных элементов для двухсеточных дискретных моделей трехмерных композитных балок требует меньше объема памяти ЭВМ и временных затрат, чем для базовых моделей.

Ключевые слова: композиты, упругость, балки, метод конечных элементов, двухсеточные конечные элементы.

A.D. Matveev

THE CALCULATION OF THE THREE-DIMENSIONAL IRREGULAR - SHAPED COMPOSITE BEAMS

USING THE DOUBLE-GRID FINITE ELEMENTS

The procedure of constructing the two-grid finite elements (TgFE) in order to calculate the threedimensional elastic composite beams having the constant cross section of the complex shape is presented in the article. The proposed TgFE describe the three-dimensional tense state in the composite beams, take into account their heterogeneous structure and complex form, generate discrete models of low dimension. Implementation of the finite element method for two-grid discrete models of the three-dimensional composite beams requires less computer memory and time costs than for the base models.

Key words: composites, elasticity, beams, finite element method, two-grid finite elements.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

92