Дипломная работа: Стабилизатор тока электродиализатора

BORDER – переменная, предназначенная для вычисления полочки тока.

Iop – ток задатчика (опора).

Iz – ток задатчика.

Step – шаг для вывода на режим.

CURRENT_FROM_ADC – переменная, предназначенная для считывания в нее значения с АЦП.

k,b(COUNT_TEMPRET_TABLE) – константы для вычисления температуры (взяты из технической документации на датчик температуры).

SPI_MODE – переменная, предназначенная для идентификации команды, поступившей системе по параллельному порту.

В таблице 4.4 приведены в соответствии команды системе, поступающие по параллельному интерфейсу, и значения переменной SPI_MODE, которые она принимает при поступлении этой команды.

Таблица 4.4 - Команды переменной SPI_MODE

DATA_TO_SEND – массив данных отправляемых по параллельному интерфейсу на управляющий контроллер.

Значения которые может отправлять массив DATA_TO_SEND:

– начало пакета DATA_TO_SEND [0];

– текущее значение тока DATA_TO_SEND [1];

– текущая температура DATA_TO_SEND [2];

– код ошибки DATA_TO_SEND [3];

– конец пакета DATA_TO_SEND [4];

В таблице 4.5 приведены в соответствии команды системе, поступающие по параллельному интерфейсу, и значения переменной DATA_TO_SEND, которые она отправляет.

Таблица 4.5 - Коды переменной DATA_TO_SEND

CounRX – счетчик принятых байт.

PACET – массив для хранения принятых байт.

В таблице 4.6 приведены в соответствии команды системе, поступающие по параллельному интерфейсу, и значения переменной PACET.

Таблица 4.6 - Команды переменной PACET

Описание основных процедур:

SS1_RecvChar() – процедура чтения данных из буфера приемника SPI.

SS1_ClearRxBuf() – процедура очистки буфера приемника SPI.

SS1_SendBlck() – процедура посылки данных в буфер приемника SPI.

TI1_OnInterrupt() – процедура вызываемая при возникновении прерывания по таймеру-счетчику.

TI1_Disable() – процедура запрещения работы таймера-счетчика.

TI1_Enable() – процедура разрешения работы таймера-счетчика.

AD1_GetValue16() – процедура считывания данных с АЦП.

AD1_Mesure() – процедура инициализации АЦП.

AD1_GetChanOfSet() – процедура установки нулевого уровня АЦП.

AD1_OnHighLimit() – процедура срабатывающая при достижении верхнего порога АЦП.

AD1_OnLowLimit() – процедура срабатывающая при достижении нижнего порога АЦП.

AD1_SetLowChanLimit() – процедура установки нижнего уровня срабатывания АЦП.

AD1_SetHighChanlimit() – процедура установки верхнего уровня срабатывания АЦП.

Математические процедуры:

- процедура вычитания SUB();

- процедура умножения L_MULT_TS();

- процедура сложения L_ADD().

4.3  Разработка диаграммы состояний блока связи с панелью индикации

Модуль SPI необходим для обмена информацией между панелью индикации и программной системой. Диаграмма состояний модуля SPI представлена на рисунке 4.6.

Состояние «ожидание пакета/передача данных». Модуль переходит в это состояние после подачи питания. В этом состояний модуль SPI ожидает начало передачи данных, при поступлении тактового сигнала отправляет байт данных. Возможен переход в состояние «прием/передача пакета» при возникновении события «такт работы (получение стартового символа пакета)». Также возможно событие такт работы.

Состояние «прием/передача пакета». В этом состоянии принимается символ данных по каждому тактовому сигналу, при этом отправляет байт данных. Модуль находится в этом состоянии, пока не возникнет событие «такт работы (получение последнего символа пакета)». В этом состояний также возможно событие «такт работы», при котором он остается в том же состояний.

5.  Разработка платы индикации

Панель управления и индикации служит для настройки параметров преобразователя и для индикации этих параметров. Он располагается на отдельной печатной плате, соединенной с основной платой шлейфом. Для индикации параметров используем семисегментные индикаторы. Они обладают хорошей яркостью и достаточным температурным диапазоном работы. Так как контроллер силового блока загружен, чтобы управлять индикацией и настройкой, для этих целей целесообразно использовать дополнительный микроконтроллер. Контроллер панели управления и индикации будет управлять индикацией параметров, обрабатывать нажатие кнопок и производить передачу управляющих команд и параметров в микроконтроллер, осуществляющий управление силовым блоком .

Каждый семисегментный индикатор состоит из набора светодиодов, аноды которых объединены, как показано на рисунке 5.1. чтобы зажечь определенный светодиод требуется подать питание на анод, а соответствующий катод подключить «земле»[17].

Катоды каждой ячейке индикатора, а так же трех светодиодов подключены к отдельным выводам микроконтроллера. Подавая сигнал управления на определенный катод и анод можно зажечь необходимый светодиод. В каждый момент времени может гореть только один светодиод. Чтобы не было заметно мерцания весь цикл переключения светодиодов должен происходить с частотой 100 Гц или выше. На пульте управления расположены три кнопки: «СТАРТ/СТОП», «+», «-». Контроллер должен обрабатывать одиночное нажатие кнопки. При включении устройства на индикаторе высвечивается значение тока, установленное во время последнего процесса работы. При нажатии на кнопки «+» и «-» это значение соответственно увеличивается или уменьшается с шагом 1 А в пределах от 0 А до 70 А. Если не нажимать кнопки «+» или «-» в течении трех секунд или нажать кнопку «СТАРТ» в течении этого времени, текущее значение тока сохраняется и передается в контроллер системы управления. Если во время работы преобразователя нажать кнопки «+» или «-», то на семисегментном индикаторе отобразится температура на радиаторе преобразователя.

5.1  Разработка принципиальной схемы

Для управления пультом используем микроконтроллер MC9S08QE8 (DD2) фирмы Freescale Semiconductor[18]. Это один из недорогих микроконтроллеров, обладающий нужным количеством портов. Контроллер поддерживает протокол SPI, который удобно использовать для связи с другими контроллерами с использованием гальванической развязки. Для индикации используем сборку из трех семисегментных индикаторов BA56-11SRWA (HG1) желтого цвета и светодиоды L-53SGD (HL1 – HL3). Для свечения светодиодов требуется обеспечить ток IF=20 мА. Выводы контроллера не могут обеспечить такой ток, поэтому для их усиления используем сборку из восьми транзисторов дарлингтона ULN2803AF (DA1). Резисторы включенные между выходами DA1 и катодами HG1 ограничивают выходной ток. Для ограничения тока IF требуется использовать резисторы с номиналом:

                                            (5.1)

Однако при таком токе свечение светодиодов будет слишком ярким. Экспериментальным путем было установлено, что для обеспечения нужной яркости свечения требуется использовать резисторы номиналом 220 Ом. Используем чип резисторы RC0805 620 Ом. VT1 – VT3 – полевые p-n-p транзисторы IRLML5103 в корпусе SOT-23 для поверхностного монтажа. Максимальный ток стока – 760 мА, максимальное напряжение сток-исток 30 В. R9 – R11 – чип резисторы RC0805 1 кОм. Кнопки SB1 – SB3 типа DTSM81.

Напряжение питания пульта управления 3.3 В. Питание обеспечивается источником питания собственных нужд, который расположен на силовой плате преобразователя. Конденсаторы C65, C66 – чип конденсаторы CC0805 15 пФ [стр. 16, 18]. Остальные конденсаторы на плате пульта управления служат для защиты микросхем и других элементов схемы от помех по питанию. Используются чип конденсаторы CC0805 0.1 мкФ и электролитические конденсаторы SR 25 В 47 мкФ.

5.2  Разработка алгоритма программы

Для запуска преобразователя и для установки заданного тока используется асинхронный последовательный интерфейс. Исходя из этого, можно построить структуру программы, которая представлена на рисунке 5.2.

Блок SPI предназначен для передачи команд «старт», «стоп» параметров о требуемом токе стабилизации, а также принимает данные о токе, температуре и коде сигнала ошибки.

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 источника.

Блок логики работы. Этот блок реализует работу платы индикации по заданному алгоритму. Он осуществляет функцию обработки всех команд и сообщений от остальных модулей. Блок клавиатуры предназначен для обработки портов МК, подключенных к кнопкам и передачи событий «СТАРТ/СТОП», «Больше», «Меньше» в блок «Логики работы».

Блок индикации предназначен для отображения информации о текущем значении тока, температуры, состояние силового блока. Осществляет управление соответствующими портами МК.

5.2.1  Разработка диаграммы состояний блока логики работы

Диаграммы состояний блока логики работы платы индикации изображен на рисунке 5.3

При включении прибора программа переходит в состояние «Стоп силовой части» и считает, что инвертор находиться в выключенном состоянии. По нажатию кнопки «Больше/Меньше» осуществляет увеличение или уменьшение значения задатчика тока. При нажатии кнопки «Старт/Стоп» в МК блока преобразователя по синхронному интерфейсу передается установленный параметр задатчика тока и происходит запуск инвертора, при этом в блок индикации посылается сообщение «Работа». Блок «Логики работы» переходит в состояние «Работа силовой части»

Для обеспечения надежности предусмотрены три режима защиты:

-  перегрев силового блока;

-  превышение выходного тока;

-  защита силовых ключей инвертора.

При срабатывании одной из защит МК преобразователя в блок индикации посылается сообщение «Ошибка» и блок «Логики работы» переходит в соответствующий режим.

При нажатии кнопки «Стоп» МК преобразователя посылается команда об остановке инвертора и блок переходит в состояние «Стоп силовой части»

При срабатывании защиты «Перегрев» происходит остановка инвертора и длится она до тех пор пока температура не спадет до заданного уровня.

При срабатывании защит «КЗ нагрузки» и «Защита инвертора» так же происходит остановка инвертора и переход в состояние «Стоп силовой части».

5.2.2  Разработка диаграммы состояний блока клавиатуры

Каждые 5 мс. происходит опрос кнопок и ожидание нажатия кнопки, это сделано для того что бы устранить дребезг контактов.

В данном дипломном проекте используется динамическая индикация. Она осуществляется при помощи таймера-счетчика и называется «такт роботы индикации».

При включении прибора индицируется ток уставки задатчика. Когда приходит команда «Работа» от блока логики работы, то начинается индикация текущего выходного тока.

Можно изменить режим отображения, это делается нажатием кнопок «больше/меньше» при этом индицируется текущий ток или текущая температура силового блока.

При нажатии кнопки «Стоп» индицируется начальный ток уставки.

6.  Разработка источника питания собственных нужд

Источник питания собственных нужд должен обеспечить питание компонентов системы управления преобразователем от входного напряжения 70 В частотой 100 Гц. Система управления питается от напряжения пяти уровней: 12 В, переменное 12 В, дифференциальное 12 В, 5 В, 3,3 В. В таблице 6.1 указаны потребители и максимальный потребляемый ими ток.

Таблица 6.1 - Основные потребители энергии

Заложим общую мощность, потребляемую от источника собственных нужд .

Источники малой мощности (до 150 Вт) обычно построены по схеме однотактного обратноходового преобразователя напряжения. В данной дипломной работе источник питания собственных нужд выполнен на микросхеме UC3842. Выбор данного источника питания обусловлен тем, что подобные преобразователи получили широкое распространение при проектировании микропроцессорных устройств и не раз проектировались в лаборатории группового проектного обучения (ГПО) силовых микропроцессорных устройств (СМУ). Рассмотрение других источников питания не осуществлялось. Микросхема UC3842 имеет минимальное напряжение для запуска микросхемы которое составляет 10 В, что для нас не мало важно. На рисунке 6.1 приведена типовая схема включения микросхемы UC3842 [19].

Микросхема UC3842 имеет все необходимые функциональные возможности для создания схем управления сетевыми импульсными источниками питания. Встроенные структурные элементы микросхемы обеспечивают её отключение при недопустимо низком входном напряжении и пусковом токе менее 1 мА. Прецизионный источник опорного напряжения тактирован для повышения точности на входе усилителя сигнала ошибки. ШИМ-компаратор контролирует также ограничение по току, а квазикомплиментарный выходной каскад рассчитан на значительные броски тока (как втекающего, так и вытекающего). Выходной каскад обеспечивает работу на нагрузку типа n-канального полевого транзистора с изолированным затвором и имеет низкий логический уровень напряжения в отключённом состоянии.

Схема источника питания приведена на рисунке 6.2.

Произведем расчет источника питания собственных нужд (ИПСН) приведенного на рисунке 6.2. Параметры ИПСН:

-  минимальное входное напряжение ;

-  максимальное входное напряжение ;

-  активная мощность источника ;

-  частота преобразования ;

-  максимальная длительность импульса ;

-  максимальная длительность разряда ;

-  выходное напряжение ;

-  выходное напряжение ;

-  выходное напряжение ;

-  собственная обмотка для микросхемы .

Произведем расчет и выбор стартового терморезистора. Он защищает элементы входной цепи от скачка тока в конденсаторе при включении в сеть.

Сопротивление резистора

Мощность резистора

Выбираем терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом SCK-101 c сопротивлением 10 Ом при 25 ºC.

Средний ток рассчитывается по формуле:

                                      (6.1)

Максимальный ток первичной и третьей обмотки рассчитывается по формуле:

                         (6.2)

                               (6.3)

Индуктивность первичной обмотки рассчитывается по формуле:

                              (6.4)

Индуктивность вторичной обмотки рассчитывается по формуле:

                               (6.5)

Выбираем сердечник феррит марки N87 на каркас ETD29 с площадью сечения  и полагаем зазор .

Определим количество витков каждой из обмоток:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8