Дипломная работа: Стабилизатор тока электродиализатора

По полученным нагрузочным характеристикам можно увидеть, что разрабатываемый преобразователь является источником тока в диапазоне требуемого изменения выходного напряжения удовлетворяет требованиям технического задания.

Так же нужно отметить, что форма выходного тока при разных относительных длительностях импульса управления не изменяется, а только меняет свою амплитуду. Это хорошо видно на рисунке 3.6.

При построении диаграмм сопротивление нагрузки оставалось неизменным. Пульсации возрастают при уменьшении относительной длительности импульса, и максимальные пульсации будут при относительной длительности импульса равной 0.5.

3.3  Расчет параметров и выбор элементов системы управления

Система управления источника должна выполнять несколько функций:

– формирование алгоритма работы ключей инвертора;

– отслеживание и стабилизация выходного тока;

– защита от перегрева прибора.

3.3.1  Расчет и выбор датчика выходного тока

Основной задачей источника является стабилизация заданного значения тока. Для этого требуется знать значение тока в выходной цепи источника. Существует несколько распространенных типов датчиков тока:

- токовый шунт;

- датчик тока на основе эффекта Холла.

Токовый шунт устанавливается последовательно в цепь протекания тока, поэтому на нем рассеивается около десяти ватт мощности, поэтому габариты такого датчика весьма велики. Кроме того, стоимость шунтов рассчитанных на токи в сотни ампер довольно высока и сопоставима со стоимостью без контактных датчиков на эффекте Холла. Поэтому применение шунта становится не выгодным.

Магнитные датчики тока на эффекте Холла гальванически развязаны с измеряемой цепью и, следовательно, потери на измерение тока будут ничтожно малы. Конструкция этих датчиков такова, что требуется пропустить провод с измеряемым током через отверстие в концентраторе магнитного поля. Это создает сложности при размещении всех компонентов на одной печатной плате.

Более дешевой и удобной альтернативой датчикам тока на эффекте Холла является датчик магнитного поля. Измерение тока датчиком магнитного поля происходит посредством преобразования магнитного поля, создаваемого тока, в напряжение, пропорциональное этому току. Существует два типа датчиков магнитного поля: магниторезистивные мосты и датчики на эффекте Холла. Магниторезистивные мосты обладают большей чувствительностью, чем датчики Холла. Однако по стоимости они сопоставимы с датчиками тока на эффекте Холла, которые имеют магнитный концентратор, а поэтому обладают больше чувствительностью. Датчики магнитного поля на эффекте Холла обладают не большой чувствительностью, но при достаточно больших значениях измеряемых токов этот недостаток не будет влиять на их работу. Стоят такие датчики в несколько раз дешевле других типов датчиков.

Выбираем датчик серии CSNT651 фирмы Honeywell[12]. С параметрами:

- напряжение питания: ± 12 В;

- измерение тока: от 0 до 150 А.

Схема подключения датчика приведена на рисунке 3.7.

С выхода датчика тока, напряжение поступает на вход АЦП микроконтроллера.

3.3.2  Расчет цепи управления силовыми ключами

Для управления ключами кроме формирователя сигнала управления, которым является микроконтроллер, требуется также усилитель этого сигнала. Для усиления управляющего сигнала обычно применяются интегральные микросхемы - драйверы. Существуют драйверы верхнего ключа, драйверы нижнего ключа, драйверы верхнего и нижнего ключа и полумостовые. Для управления транзисторами VT и VT было применено схемное решение, которое заключается в использовании двух не инвертирующих драйверов. Один из которых IR2127 выполняет защиту по току, а другой UCC37322 реализует открытие транзистора[13,14]. С параметрами:

- напряжение питания драйверов: 10-20 В;

- выходной ток микросхемы UCC37322: 9 А;

- входное напряжение: совместимо с 3.3 В и 5 В логикой.

Напряжение питания драйверов выберем равным 15 В. Схема подключения драйверов изображена на рисунке 3.8.

Для ограничения тока затвора транзисторов VT2 и VT9 используем резисторы, номинал которых рассчитываем по формуле:

Выбираем чип резисторы RC0805 номиналом 2.2 Ом.

Защита по току реализована на делители напряжения R2 и R3 и срабатывает при токе равном 250 мА.

3.3.3  Расчет датчика температуры

Датчик температуры выполнен как резистивный делитель напряжения, изображенный на рисунке 3.9. Один из элементов этого делителя – терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом R1. Терморезистор должен располагаться непосредственно на радиаторе для измерения его температуры вблизи транзисторов. При повышении температуры сопротивление терморезистора уменьшается, а напряжение на резисторе R2 увеличивается. Заложим температуру срабатывания защиты равной 60°С. Используем терморезистор B57045-K фирмы Epcos[15]. Его сопротивление при 25°С составляет 6.8 кОм. Максимальное напряжение на входе микроконтроллера должно составлять 2.5 В. Исходя из этого выбираем сопротивление R2 равным 2 кОм. Используем чип резистор RC0805 2 кОм.

3.4  Расчет и выбор радиатора

Тепловые процессы в преобразователе можно достаточно точно описать с помощью электрической схемы. Каждый компонент имеет тепловое сопротивление, разность температур эквивалентна разности напряжений между двумя точками, а мощность, рассеиваемую данным компонентом можно представить как ток. На рисунке 3.10 приведена электрическая схема, отражающая процесс передачи тепла в преобразователе. На схеме отображены только элементы, которые будут охлаждаться с помощью радиатора: выходные диоды VD16, VD17, транзисторы VT4, VT5. Однако корпус транзистора является одновременно стоком, поэтому между корпусом транзистора и радиатором следует разместить диэлектрическую прокладку с достаточно малым температурным сопротивлением. Для изоляции используем оксид алюминиевые прокладки. Все тепловые сопротивления, кроме сопротивления радиатора, даны в справочной информации. Требуется определить тепловое сопротивление радиатора.

RJC(VT4,VT5) = 0.34 К/Вт – тепловое сопротивление кристалл-корпус каждого транзистора;

RJC(VD16,VD17) = 0.7 К/Вт – тепловое сопротивление кристалл-корпус каждого диода;

RПОДЛ = 0.08 К/Вт – тепловое сопротивление подложки;

PVD16,VD17 = 149 Вт – мощность, рассеиваемая выходными диодами;

P VT4,VT5= 76.3 Вт – мощность, рассеиваемая всеми транзисторами.

Максимальная рабочая температура кристалла составляет 150 оС, а максимальная температура окружающей среды из технического задания 40 оС. Значит в системе кристалл-корпус-радиатор разность температур равна 110 оС. Общее тепловое сопротивление этой системы определим из соотношения:

 ,                                                               (3.27)

где ΔTjhs = 110 oC – разность температур кристалл-среда;

Pjhs – общая мощность, рассеиваемая радиатором.

Она равна сумме мощностей, рассеиваемых всеми компонентами, расположенными на радиаторе:

.                                     (3.28)

Определим общее тепловое сопротивление:

Это сопротивление складывается из двух составляющих: общего сопротивления полупроводниковых приборов и сопротивления радиатора. Определим общее сопротивление полупроводниковых приборов:

 ,           (3.29)

Определим тепловое сопротивление радиатора:

    (3.30)

Для того, чтобы температура кристалла не превысила предельно допустимое значение тепловое сопротивление выбранного радиатора не должно превышать RРАД. Выбираем радиатор АВ95. Тепловое сопротивление радиатора без обдува 0,12 К/Вт. Из графика, приведенного в документации видно, что при обдуве воздухом со скоростью 5 м/с тепловое сопротивление уменьшается до 0,08 К/Вт.

Для запуска преобразователя и для установки заданного тока используются синхронный и асинхронный последовательные интерфейсы. Асинхронный последовательный интерфейс используется для связи с компьютером, а Синхронный используется для связи с панелью индикации. Управление инвертором осуществляется модулем ШИМ DSP-контроллера.

Исходя из этого, можно построить структуру программы, которая представлена на рисунке 4.1.

Блок измерений предназначен для считывания данных с датчиков тока и температуры, а так же производит запись в соответствующие переменные Блока глобальных переменных.

Блок связи с панелью индикации предназначен для приема управляющих команд от управляющего контроллера панели индикации, таких как: команда старт, команда стоп преобразователя, а также передачи данных о токе, температуре и коде сигнала ошибки из блока глобальных переменных для отображение на лицевой панели источника питания

Блок глобальных переменных предназначен для хранения прочитанных и рассчитанных данных, а также необходимых для расчетов констант и массивов. Также в блоке содержится информация о текущем режиме работы каждого блока.

Блок логики работы силовой части. Этот блок реализует работу силовой части по заданному алгоритму, стабилизируя согласно переменной задатчика ток на выходе источника. Алгоритм управления ключами приведен на рисунке 4.2. Также отслеживает аварийные режимы источника и, при возникновении их, в блок глобальных переменных записывается соответствующий код ошибки.

Блок связи с ЭВМ. Предусмотрена возможность связи источника с ЭВМ, но в данной работе не реализовано.

Для реализации программного обеспечения устройства управления преобразователем необходимо использовать следующие аппаратные модули DSP-контроллера: PWM, SPI, UART, ADC.

4.1  Разработка диаграммы прецедентов

Визуальное моделирование с использованием нотации UML можно представить как некоторый процесс поуровневого спуска от наиболее абстрактной модели исходной системы к логической, а затем и к физической модели соответствующей программной системы [16]. На этапе построения абстрактной модели строится диаграмма прецедентов, которая описывает функциональное назначение системы. Для системы управления преобразователем диаграмма прецедентов представлена на рисунке 4.3.

Иногда очень удобно описывать прецеденты в виде таблицы.

Таблица 4.1 - Таблица прецедентов программного обеспечения устройства управления преобразователем

Таблица прецедентов показывает, какие действия может осуществить пользователь и реакция система на эти действия.

4.2  Разработка диаграммы состояний модуля PWM

Для того чтобы смоделировать поведение системы на логическом уровне в языке UML используется диаграмма состояний. Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний системы при реализации всех прецедентов. При этом изменение состояния системы вызвано какими-либо внешними событиями.       

Диаграмма состояний системы для системы управления преобразователем представлена на рисунке 4.4.

В таблице 4.2 представлено соответствие событий и процедур, отвечающих за обработку этих событий.

Таблица 4.2 - События и обрабатывающие их процедуры

Состояние «режим простоя». В этом состояний источник находится после поступления на вход питания. При этом на ключах нет управляющих сигналов, измерения не проводятся, ток на выходе равен нулю. Это состояние устойчивое, из него возможен переход только в режим «Вычисление нулевого уровня тока». Код ошибки в этом состоянии равен нулю. Состояние «Вычисление нулевого уровня тока». В это состояние источник переходит после возникновения события «старт». В этом режиме на ключи не подается управляющих сигналов, производится считывание значения тока с АЦП, устанавливается нулевой уровень тока. Возможны переходы в состояния: «режим простоя» при возникновении события «стоп», «вывод на режим» при возникновении события «конец вычисления». Событие «конец вычисления» возникает после заданного количества считываний тока с АЦП.

Состояние «вывод на режим». В этом состояний на ключи подаются управляющие ШИМ - сигналы, ток на выходе плавно нарастает в течение заданного времени до значения тока задатчика, выходной ток стабилизируется. При возникновении события «стоп» переходит в состояние «режим простоя». При превышении выходным током тока задатчика возникает событие «превышен заданный ток», источник переходит в состояние «превышение заданного тока». При превышении полупроводниковыми приборами заданной температуры, возникает событие «превышена температура», источник переходит в состояние «перегрев». Каждые 100 мкс. возникает событие «такт стабилизаций», при этом рассчитывается длительность управляющих импульсов ШИМ, и запускаются новые измерения тока, и температуры. Так же каждые 50 мс. происходит событие «такт вывода на режим», при этом увеличивается значение опорного тока задатчика. Состояние «режим стабилизации». Переход в это состояние происходит при возникновении события «выход на режим». Это событие возникает, когда ток на выходе достигнет тока задатчика. При возникновении события «стоп» происходит переход в состояние «режим простоя», при этом управляющие сигналы сбрасываются. При превышении выходным током тока задатчика возникает событие «превышен заданный ток», источник переходит в состояние «превышение заданного тока». При превышении полупроводниковыми приборами заданной температуры, возникает событие «превышена температура», источник переходит в состояние «перегрев». Каждые 100 мкс. возникает событие «такт стабилизаций», при этом рассчитывается длительность управляющих импульсов ШИМ, и запускаются новые измерения тока, и температуры. Состояние «превышение заданного тока». В этом состоянии управляющие сигналы сбрасываются, ток на выходе равен нулю, происходит запись в соответствующие переменные значения кода ошибки. При возникновении события «стоп» переходит в состояние «режим простоя».

4.2.1  Разработка блок-схем процедур модуля PWM

Для написания программы будет использоваться язык программирования высокого уровня C++. Написание кода будет осуществляться в среде разработки CodeWarrior. Также будет использован инструмент Processor Expert, предназначенный для ускорения процесса настройки регистров DSP-контроллера. Интерфейс среды разработки CodeWarrior представлен на рисунке 4.5.

POWER_MODE - переменная, предназначенная для отображения состояния, в котором находится модуль стабилизации в данный момент. В таблице 4.3 приведены в соответствии состояния системы и значения переменной POWER_MODE, которые она принимает в данном состоянии.

Таблица 4.3 - Состояния переменной POWER_MODE

BORDER_I – переменная, предназначенная для счетчика интегратора.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8