Быстродействующий импульсный стабилизатор напряжения системы электропитания автономного объекта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Капулин, Денис Владимирович

• Капулин, Денис Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Капулин, Денис Владимирович

Перечень сокращений.

ВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ СЭП. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСН.

1.1. Анализ применяемых законов управления ИСН.

1.1.1. Закон управления, полученный по критерию равенства нулю среднего за период повторения импульсов значения напряжения на индуктивности дросселя.

1.1.2. Оптимальный по быстродействию закон управления.

1.2. Исследования смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования.

1.3. Анализ динамических характеристик ИСН при прерывании модуляции.

1.3.1. Анализ переходных процессов в ИСН с силовой цепью понижающего типа.

1.3.2. Анализ переходных процессов в ИСН с силовыми цепями повышающего и инвертирующего типов.

1.4. Оценка неоптимальности работы быстродействующего ИСН в режимах прерывания модуляции.

1.5. Методика выбора параметров стабилизаторов напряжения.

Выводы по первой главе.

2. ДИСКРЕТНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИМ ИСН.

2.1. Актуальность применения цифровых устройств управления импульсными стабилизаторами напряжения.

2.2. Дискретное устройство управления ИСН.

2.2.1. Особенности цифрового управления процессами.

• 2.2.2. Структурная схема дискретного устройства управления импульсными стабилизаторами напряжения.:.

2.2.3. Дискретизация сигналов. Восстановление непрерывного сигнала по отдельным отсчетам.

2.2.4. Определение адекватного количества интервалов дискретизации.

2.3. Исследования работоспособности ИСН с дискретным управлением при различном количестве выборок с помощью имитационного моделирования.

2.3.1. Анализ работы экстраполятора информационных сигналов.

2.3.2. Исследования переходных процессов в ИСН ПН.

2.3.3. Исследования переходных процессов в ИСН ПВ.

2.4. Исследования частотных характеристик модуля выходного импеданса ИСН.

Выводы по второй главе.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ИСН.

3.1. Дискретизация опорного сигнала ШИМ.

3.2. Способы реализации цифрового устройства управления.

3.2.1. Аппаратная реализация устройства управления.

3.2.2. Программная реализация устройства управления.

3.2.3. Аппаратно-программная реалзация устройства управления.

3.3. Анализ средств аналого-цифровой обработки сигналов.

3.4. Анализ современных технических средств цифровой обработки сигналов.

3.4.1. Обзор программируемых логических интегральных схем.

3.4.2. Общие сведения о базовых матричных кристаллах.

3.4.3. Обзор микроконтроллеров.

3.4.4. Обзор сигнальных процессоров.

3.5. Особенности проектирования цифровой системы управления

Выводы по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующий импульсный стабилизатор напряжения системы электропитания автономного объекта»

Актуальность. Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) широко применяются в системах электропитания (СЭП) автономных объектов (спутники связи, автоматические станции мониторинга окружающей среды, системы автоматики и связи автономного функционирования) для обеспечения передачи энергии от ее основного к буферному и на выход СЭП с одновременной стабилизацией выходного напряжения.

В последнее десятилетие требования к качеству выходного напряжения СЭП в динамических и статических режимах значительно возросли. Так, стандартом питания европейского космического агентства (ESA) допускается отклонение напряжения на выходе СЭП не более ±4 % относительно его допустимых статических значений длительностью не более 2 мс, регламентированы малые допустимые значения модуля выходного импеданса СЭП [1]. Отраслевые стандарты отечественных предприятий-изготовителей спутников связи также регламентируют схожие требования по качеству напряжения СЭП.

Удовлетворение вышеназванных требований обеспечивается применяемыми законами управления ИСН, для разработки которых используют различные подходы. Известные аналитические методы синтеза систем управления, основанные на принципе максимума Понтрягина, втором методе Ляпунова содержат для сложных систем элементы перебора при определении решения, т.е. опираются на многовариантный анализ, моделирование и алгоритмическую стратегию поиска оптимального процесса. Устройства управления, реализованные с использованием таких законов, не обеспечивают минимизации длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения [2,3].

В алгоритмическом методе, разработанном Ю.М. Казанцевым [4,5], динамический синтез и оптимизацию процессов управления для рассматриваемого класса систем предлагается осуществлять непосредственно по критерию установившегося режима в импульсной системе с фильтром - равенству нулю среднего за период повторений импульсов значения напряжения на индуктивности дросселя. При этом достигается близкая к минимуму длительность переходного процесса и сохраняется устойчивость ИСН. Аппаратно регулятор, синтезированный с использованием такого метода, может быть реализован на основе интеграторов и переменожителей. Но при этом реализация такого устройства управления как на аналоговой, так и на цифровой элементной базе пока не представляется возможной из-за наличия значительного числа интеграторов, перемножителей (более 20-ти) и необходимости проводить значительное количество вычислений при высокой частоте преобразования, характерной для современных ИСН.

Возможность получения переходных процессов с временем регулирования, близким к минимальному, также дает применение закона управления, разработанного Б.П. Соустиным, В.И. Иванчурой, А.В. Манаковым [6]. Этот закон управления реализован с использованием аналоговой схемотехники и применяется в СЭП спутников связи. Предложенный авторами метод основан на приведении системы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) к системе с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), синтезе последовательного корректирующего устройства с использованием третьего полиномиального уравнения синтеза и обратного перехода от АИМ к ШИМ. Такой подход позволяет достичь осуществимости устройства управления при обеспечении минимальной конечной длительности переходных процессов. Закон управления, полученный при использовании метода [6] назван авторами оптимальным по быстродействию, а ИСН с таким законом управления - быстродействующим ИСН.

Сравнительный анализ выходных характеристик быстродействующего ИСН и ИСН со схемой управления, синтезированной в соответствии с [5] проведен в [7]. Оптимальный по быстродействию закон управления показал большую эффективность, которая выразилась в уменьшении модуля выходного импеданса ИСН. Более низкий выходной импеданс означает, что одинаковая степень независимости процессов в СЭП от процессов в каналах энергопотребления (КЭП) при оптимальном по быстродействию управлении, обеспечивается существенно меньшей величиной индуктивности входных фильтров КЭП, чем при управлении, реализованном в соответствии с [5], что обеспечивает лучшие массогабаритные характеристики таких КЭП. Также стоит отметить простоту реализации оптимального по быстродействию закона управления по сравнению с алгоритмом [5], что выражается в меньшем количестве устройств интегрирования, суммирования и перемножения в структурной схеме устройства управления.

Оптимальный по быстродействию закон управления синтезирован для режима малых отклонений длительности импульса управления от его стационарной составляющей и не является оптимальным при значительных отклонениях длительности импульса управления, возникающих . при коммутации нагрузки большой мощности. В таких случаях в ИСН могут возникать режимы, приводящие к выходу управляющего сигнала из зоны широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Синтез закона управления ИСН для режима прерывания ШИМ рассмотрен в работах А.Н. Ловчикова [8,9], в которых автор предлагает использовать метод фазовой плоскости. Синтезированный таким образом закон обеспечивает ИСН близкие к минимальным длительность и амплитуду отклонения выходного напряжения в переходных режимах при значительных возмущениях, но не обеспечивает минимальной конечной длительности переходных процессов при работе ИСН в режимах ШИМ, при малых отклонениях длительности импульса управления, что не позволяет минимизировать выходной импеданс ИСН и считать этот закон оптимальным для всех режимов работы ИСН.

Требования к качеству выходного напряжения СЭП в статических режимах работы могут быть выполнены при наличии интегрирующего контура обратной связи [10]. В то же время, контур обратной связи по интегралу сигнала рассогласования, обеспечивающий астатизм ИСН, может ухудшить его динамические характеристики, в частности, при подключении мощных потребителей энергии к ИСН. Сохранение малой длительности переходных процессов для режимов «малых» отклонений можно обеспечить путем ограничения коэффициента усиления сигнала рассогласования. В случае коммутации значительной нагрузки, малую длительность переходных процессов можно обеспечить прерыванием процесса интегрирования сигнала рассогласования по напряжению [11] и дополнительным контуром обратной связи, ограничивающим ток силового ключа ИСН. В связи с этим, необходимо провести анализ работы интегратора сигнала рассогласования и выявить экспериментальные зависимости изменения границ диапазона интеграла сигнала рассогласования от параметров ИСН при одновременном достижении наилучших динамических характеристик.

Полученные результаты позволят обоснованно выбирать параметры ИСН и улучшить динамические характеристики ИСН в режимах, связанных с выходом управляющего сигнала из зоны ШИМ.

Реализация значительно усложненного закона управления ИСН, отвечающего всем вышеназванным требованиям, на аналоговых элементах станет затруднительной как в проектировании, так и в производстве. Структурные схемы выпускаемых промышленностью специализированных интегральных схем (ИС) существенно отличаются от структуры устройства управления, реализующего оптимальный по быстродействию закон управления. Аппаратная реализация закона управления на подобных микросхемах вызовет применение большого количества внешних элементов, что повлечет за собой усложнение и снижение надежности устройства управления.

Поэтому переход на микроэлектронную базу, к цифровой обработке сигналов (ЦОС) является необходимостью. Использование ЦОС может существенно упростить проектирование, отладку и серийное изготовление, снизить собственное энергопотребление и повысить надежность работы УУ [12]. При применении ЦОС отсутствуют или резко уменьшаются искажения характеристик УУ из-за температурных или деградационных изменений параметров элементов УУ, появляются возможности по реализации законов управления, которые, зачастую, невозможно реализовать с помощью аналоговой техники. Одной из самых важных особенностей ЦОС является большая гибкость - цифровое УУ можно запрограммировать или перепрограммировать на выполнение различных функций без изменения оборудования [13,14].

Основными трудностями реализации на основе ЦОС законов управления, обеспечивающих ИСН высокое быстродействие, состоит в необходимости оцифровывания текущих значений информационных сигналов - токов через элементы силовых цепей и напряжений на выходе и входе ИСН за малое время. Так, если период преобразования современных ИСН составляет 16-25 мкс, а для формирования цифрового ШИМ сигнала необходимо произвести не менее 6-7 выборок на периоде преобразования (что характерно для современных цифровых устройств управления [13,14]), то период дискретизации может составлять 2-4 мкс. Также возникает проблема конечной разрядности - если для представления информационного сигнала используется недостаточное количество битов, это может привести к существенному снижению качества работы, появлению автоколебаний на выходе ИСН, а в отдельных случаях и к потере устойчивости.

Тем не менее, устройства ЦОС становятся все более скоростными, одновременно увеличиваются и их точностные характеристики, снижаются погрешности квантования, повышается разрядность. Современный рынок представлен большим разнообразием цифровых устройств - цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС), микроконтроллеры (МК), программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), базовые матричные кристаллы (БМК) выпускаются множеством зарубежных и отечественных производителей: Analog Devices, Motorola, Lucent

Technologies, ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ, ГП НИИЭТ, ОАО «Ангстрем», ГУП НПЦ «ЭЛВИС» и др. Производительность некоторых ЦПОС достигает нескольких миллиардов операций в секунду и идет постоянное увеличение этих характеристик с одновременным снижением собственного энергопотребления. Большинство производителей средств ЦОС поддерживают свои новые архитектуры эффективными С-компиляторами и интегрированными средствами отладки, что позволяет ускорить процесс проектирования УУ.

Исследованиями подобных вопросов, связанными с разработкой и производством стабилизирующих автономных СЭП большой мощности занимаются на следующих фирмах: Alcatel (Франция), Lockheed Martin и Hughes (США) [15]. В России автономные СЭП большой мощности разрабатывают и производят в ФГУП «НПО прикладной механики им. академика М.Ф.Решетнева», ФГУП «НПЦ Полюс», и ФГУП «НПО Энергия». Исследованиями процессов в энергопреобразующей аппаратуре (ЭПА) занимаются в Московском и Самарском государственных авиационных университетах, Московском государственном энергетическом университете, С. Петербургском ВИКИ им. Можайского, Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, Сибирском федеральном университете, Сибирском государственном аэрокосмическом университете.

Актуальность подтверждается и хозяйственным договором №22/1 выполненным ГУ НИИ информатики и процессов управления при КГТУ, в 2002-2005 гг. при участии автора.

Таким образом, актуальным является решение вопросов по реализации управления быстродействующим ИСН в режимах прерывания ШИМ, а также решение комплекса вопросов по использованию средств ЦОС для реализации сложных законов управления ИСН.

Объектом исследований являются ИСН систем электропитания автономных объектов (спутников связи).

Предметом исследований являются процессы управления ИСН из условия минимизации параметров переходных процессов изменения напряжения на выходе ИСН во всех режимах его работы, включая режимы прерывания ШИМ.

Целью исследований является обеспечение малых длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения ИСН в основных режимах его работы.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Определены наихудшие условия работы ИСН, при которых возникают переходные процессы с максимальными длительностью и отклонением выходного напряжения;

2. Для наихудших режимов работы ИСН определены границы смещения диапазона возможного изменения интеграла сигнала рассогласования по напряжению, проведена оптимизация параметров устройства управления ИСН с целью выполнения требований по длительности и амплитуде отклонения выходного напряжения в переходных режимах;

3. Проведен анализ переходных процессов в силовых цепях ИСН с различными топологиями в режимах прерывания ШИМ. Определены законы управления ИСН, обеспечивающие минимальные длительность переходных процессов и амплитуду отклонения выходного напряжения в режимах, связанных с прерыванием ШИМ;

4. Количественно определена мера неоптимальности применяемого закона управления ИСН в режимах прерывания модуляции. Разработана методика определения параметров силовых цепей ИСН из условия удовлетворения предъявляемых требований по длительности переходных процессов и амплитуде отклонения выходного напряжения;

5. Предложена структурная схема устройства управления быстродействующего ИСН, адаптированная для дискретной обработки и информационных сигналов. Проведены исследования по определению погрешности, возникающей при дискретизации сигналов и определено минимальное количество выборок на периоде преобразования ИСН, позволяющее осуществлять его дискретное управление;

6. Определены динамические характеристики быстродействующего ИСН с дискретным управлением и проведено его сравнение с управлением ИСН, реализованным аналоговым способом. Сделаны выводы о минимальном и достаточном количестве выборок информационных сигналов на периоде преобразования;

7. Проведен анализ современных средств цифровой обработки сигналов. Разработано программное обеспечение для реализации проектируемого устройства управления. Проведены исследования по определению времени выполнения проектируемого алгоритма управления при его аппаратной реализации.

Основная идея диссертации состоит в расширении области применения известного, оптимального по быстродействию для малых возмущений, закона управления ИСН. Этот закон управления ИСН является оптимальным только для случая малых отклонений длительности импульса управления силовым ключом. При коммутации нагрузки, приводящей к значительным отклонениям длительности импульса управления, а тем более к прерыванию ШИМ, закон управления не обеспечивает минимальные длительность переходных процессов и амплитуду отклонения выходного напряжения ИСН. В связи с чем необходимо:

• количественно оценить неоптимальность известного, оптимального по быстродействию для малых возмущений, закона управления ИСН в режимах прерывания ШИМ и найти решения по снижению длительности и амплитуды отклонения выходного напряжения таких режимах, позволяющие снизить неоптимальность до приемлемых значений;

• решить вопросы, связанные с технической реализацией предложенных решений.

Методы исследования: моделирование электрических процессов на ЦВМ (система сквозного схемотехнического проектирования OrCAD), теория линейных электрических цепей (прямые методы расчета цепей, операторные методы анализа цепей), теория дискретизации сигналов (теорема Котельникова и ее приложения), численные методы.

Основные результаты:

1. Получены аналитические выражения, позволяющие определить минимально возможные длительность и амплитуду отклонения выходного напряжения для трех основных типов силовых цепей ИСН в режимах, связанных с прерыванием широтно-импульсной модуляции;

2. Получены зависимости смещения уровней ограничения диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования, использование которых при управлении ИСН позволяет уменьшить длительность переходных процессов и амплитуду отклонения выходного напряжения в случаях коммутации нагрузки, вызывающей прерывание ШИМ;

3. Получены количественные значения показателей неоптимальности известного, оптимального по быстродействию для малых возмущений закона управления, использование которых совместно с аналитическими выражениями позволяет выбирать параметры силовых цепей ИСН из условия удовлетворения требований по длительности и амплитуде отклонения выходного напряжения в переходных процессах;

4. Разработана методика выбора параметров силовых цепей ИСН из условия удовлетворения требований по длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения в режимах прерывания широтно-импульсной модуляции;

5. Предложена структурная схема устройства управления с дискретной обработкой информационных сигналов, позволяющая реализовать оптимальный по быстродействию закон управления ИСН. Проведены исследования по определению ошибки формирования длительности импульса управления, возникающей при дискретизации сигналов;

6. Проведено схемотехническое моделирование быстродействующего ИСН с дискретной обработкой сигналов. Анализ результатов моделирования показал работоспособность предложенной схемы управления ИСН при пяти выборках на периоде преобразования. При этом увеличение длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения ИСН составляло не более 5% по сравнению с реализацией закона управления на основе аналоговых устройств;

7. Предложена программная реализация устройства управления ИСН с дискретной обработкой информационных сигналов. Проведены исследования по определению аппаратных затрат при выполнении программы. Анализ результатов показал, что время выполнения разработанной программы не превышает 1мкс, что при современных частотах преобразования ИСН и пяти выборках на периоде преобразования достаточно для цифровой реализации устройства управления ИСН. Предложены способы аппаратной реализации разработанного устройства управления.

Научную новизну представляют:

• Зависимости смещения границ диапазона возможного изменения интеграла сигнала рассогласования, использование которых позволяет снизить неоптимальность переходных процессов при использовании известного закона ИСН, работающего в режимах прерывания ШИМ с 7080% до 9-15%;

• Аналитические выражения, позволяющие определить минимально возможные длительность переходных процессов и амплитуду отклонения выходного напряжения в режимах прерывания широтно-импульсной модуляции и при ограничении тока через силовой ключ для ИСН трех основных топологий;

• Зависимости коэффициентов неоптимальности известного, оптимального по быстродействию для малых возмущений, закона управления ИСН, от параметров силовых цепей, использование которых совместно с аналитическими выражениями позволяет обоснованно выбирать параметры элементов силовых цепей ИСН из условия удовлетворения требований по длительности и амплитуде отклонения выходного напряжения в переходных режимах;

• Обоснованное минимальное количество выборок на периоде преобразования, при котором увеличение длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения не превышает 5% по сравнению с реализацией закона управления на основе аналоговых устройств;

Значение для теории заключается в расширении области применения известного, оптимального по быстродействию для малых возмущений, закона управления ИСН для режимов работы, приводящих к значительным отклонениям длительности импульса управления и прерыванию ШИМ. При этом показано, что при реализации динамического смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования, длительность переходных процессов и амплитуда отклонения выходного напряжения в наихудших режимах работы ИСН снижаются на 40-80%.

Значение для практики. Для практики проектирования представляют интерес:

• • Методика выбора параметров силовых цепей ИСН, использование которой позволяет удовлетворить требования по длительности переходных процессов и амплитуде отклонения выходного напряжения;

• Структурная схема и программное обеспечение цифрового устройства управления ИСН, позволяющая при пяти интервалах дискретизации на периоде преобразования реализовать предложенные решения по снижению длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения ИСН.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением математических методов и пакетов программ; удовлетворительным совпадением результатов, полученных аналитическими методами и методами схемотехнического моделирования с использованием моделей, адекватность которых подтверждена экспериментально.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской конференции «Достижения науки и техники -развитию сибирских регионов» г. Красноярск, 2003 г.

• Международном форуме «Новые инфокоммуникационные технологии: достижения, проблемы, перспективы» г. Новосибирск, 2003 г.

• Международной конференции САКС 2004 г. Красноярск, 2004 г.

• Международной конференции «Электромеханические преобразователи энергии» г. Томск, 2005 г. • XVII НТК «Электронные и электромеханические системы и устройства» г. Томск, 2006 г.

Использование результатов диссертации. Основные научные и практические результаты использованы при разработке новых высоковольтных систем электропитания спутников связи в ФГУП «НПО прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева» в рамках хозяйственного договора №22/1, выполненным ГУ НИИ информатики и процессов управления при КГТУ, в 2002-2005 гг. при участии автора, при проектировании систем автоматики и радиосвязи в ФГУП «ЦКБ Геофизика», ФГУЛ НИИ «Радиосвязь» и в учебном процессе Политехнического института СФУ.

Рекомендации по использованию результатов диссертации.

Научные и практические результаты, полученные в ходе выполнения работ по диссертации целесообразно использовать при разработке новых высоковольтных систем электропитания спутников связи на предприятиях занимающихся проектированием и изготовлением спутников связи. Кроме того, полученные научные и практические результаты могут быть использованы при проектировании автономных системы электропитания постоянного тока для автоматических станций мониторинга окружающей среды, систем телеуправления удаленными объектами, выполненных на основе солнечных батарей, термоэлектрических преобразователей или других аналогичных первичных источниках энергии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них: 1 статья в издании по перечню ВАК; 2 статьи в межвузовских сборниках; 5 работ в материалах всероссийских и международных конференций.

Общая характеристика диссертации. Диссертация содержит основной текст на 135 е., 96 иллюстраций, 13 таблиц, список используемой литературы из 95 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Капулин, Денис Владимирович

Основные результаты по решению научно-технической проблемы проектирования устройств управления ИСН, в которых обеспечиваются малые длительность и амплитуда отклонения выходного напряжения во всех режимах работы, состоят в следующем:

1. Получены аналитические выражения, позволяющие определить минимально возможные характеристики переходных процессов для ИСН трех основных топологий в режимах прерывания широтно-импульсной модуляции;

2. Получены зависимости смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования по напряжению, применение которых для управления ИСН позволяет снизить длительность переходных процессов на 20-30% и амплитуду отклонения выходного напряжения на 80% в случаях коммутации нагрузки большой мощности;

3. Получены количественные значения поправочных коэффициентов применяемых законов управления ИСН, применение которых совместно с аналитическими выражениями позволяет выбрать параметры силовых цепей ИСН из условия удовлетворения требований по длительности и амплитуде отклонения выходного напряжения в переходных режимах;

4. Предложена методика выбора параметров ИСН, применение которой позволяет удовлетворить требования по длительности переходных процессов и амплитуде отклонения выходного напряжения в режимах прерывания ШИМ;

5. Предложена структурная схема устройства управления ИСН с дискретной обработкой информационных сигналов, реализующая оптимальный по быстродействию закон управления. Проведены исследования по определению ошибки формирования длительности импульса управления ИСН, возникающей при дискретизации сигналов;

6. Проведено имитационное моделирование ИСН с оптимальным по быстродействию управлением при дискретной обработке сигналов. Анализ результатов моделирования показал работоспособность предложенной структурной схемы устройства управления при пяти выборках на периоде преобразования. При этом увеличение длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения ИСН составило не более 5% по сравнению с реализацией закона управления ИСН аналоговым способом;

7. Разработана программная реализация устройства управления ИСН с дискретной обработкой сигналов на языке Сив текстографическом виде. Проведены исследования по определению аппаратных затрат при выполнении программы. Анализ результатов исследований показал, что время выполнения разработанной программы не превышает 1 мкс, что при современных частотах преобразования ИСН и пяти выборках на периоде преобразования достаточно для технической реализации цифрового устройства управления ИСН. Предложены способы аппаратной реализации разработанного устройства управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложено решение актуальных научно-технических задач, возникающих при проектировании импульсных стабилизаторов напряжения исходя из условий обеспечения минимальной длительности переходных процессов и амплитуды отклонения выходного напряжения стабилизатора при значительных возмущениях со стороны нагрузки. При этом разработана методика выбора параметров силовых цепей ИСН из условия обеспечения требований по длительности переходного процесса и амплитуде отклонения выходного напряжения. Решены задачи, связанные с проектированием устройства управления ИСН с дискретной обработкой сигналов, предложены варианты аппаратной реализации цифрового устройства управления ИСН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Капулин, Денис Владимирович, 2007 год

1. Стандарт питания Европейского космического агентства ECSS-E-20A /4 October 1999.

2. Иващенко, Н.Н. Автоматическое регулирование: Теория и элементы систем / Н.Н. Иващенко М.Машиностроение, 1978. 736 с.

3. Чети, П. Проектирование ключевых источников электропитания / П. Четти. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. 240 с.

4. Казанцев, Ю.М. Метод прямого синтеза управления в преобразовательной технике / Ю.М. Казанцев, А.Ф. Лекарев // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. трудов. Томск: МГП «РАСКО» при изд. «Радио и связь» - 2001. С. 131-140.

5. Казанцев, Ю.М. Синтез динамических характеристик импульсных преобразователей напряжения // Электротехника. 1995. - №8. - С. 32-35.

6. Манаков, А.В. Синтез и исследование быстродействующего импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ / А.В. Манаков, В.И. Иванчура, Б.П. Соустин // Техническая электродинамика 1987. -№1.-С. 171-179.

7. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. - 318 с.

8. Патент №2025764 РСФСР, МКИ4 G 05 F 1/56. Способ управления импульсным стабилизатором / Б.П.Соустин, В.И.Иванчура, Ю.В.Краснобаев, А.В.Манаков. Опубл. 30.12.94, Бюл. №22.

9. Густав, Олсон. Цифровые системы автоматизации и управления / Густав Олсон, Джангуидо Пиани. СПб.: Невский Диалект, 2001. -557 с.

10. Кудряшов, B.C. Современное состояние и перспективы развития бортовых СЭП связных ИСЗ / В.С.Кудряшов, В.В.Хартов // Электронные и электромеханические устройства: Сб. науч. трудов НПЦ "Полюс". Томск: МГП "РАСКО" при изд. "Радио и связь", 2001. С. 17-27.

11. Моин, B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи /

12. B.С.Моин. М.: Энергоатомиздат, 1986. 376 с.

13. Rempke, Н. COLUMBUS Power Architecture and Power Bus Stabiliti / H. Rempke, E. Noack // 6th Europ. Space Power Conf. (ESPC). Porto 2002 -P.167- 174.

14. Цыпкин, Я.З. Теория нелинейных импульсных систем / Я.З.Цыпкин, Ю.С. Попков. М.: Наука, 1973. 414 с.

15. Краснобаев, Ю.В. Методология синтеза законов и структур устройств управления конверторами / Ю.В. Краснобаев. Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, №4. С. 39 48.

16. Повышение статической точности быстродействующих импульсных стабилизаторов напряжения / В.И.Иванчура, А.В.Манаков, Ю.В.Краснобаев, Д.В.Волков // Проблемы преобразовательной техники. Часть 2. Тезисы докладов 4-й Всесоюзная НТК. Киев, 1987.1. C.124- 125.

17. Иванчура, В.И. Модульные быстродействующие стабилизаторы напряжения с ШИМ: монография / В.И. Иванчура, Ю.В. Краснобаев. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - 158 с.

18. Топчеев, Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов / Ю.И. Топчеев М.: Машиностроение, 1989. - 752 с.

19. Краснобае в, Ю.В. Методика оценки неоптимальности работы быстродействующих импульсных стабилизаторов / Ю.В.Краснобаев, Д.В.Капулин. Вестник КрасГАУ. Выпуск 5. Красноярск. 2005. С. 188 -191.

20. Капулин, Д.В. Оценка неоптимальнсти работы быстродействующих импульсных стабилизаторов напряжения при прерывании модуляции / Д.В. Капулин, Ю.В. Краснобаев // Материалы международной конференции САКС 2004 Красноярск, 2004. - С. 95-97.

21. Разевиг, В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2. / В.Д. Разевиг -М.: «СОЛОН-Р», 2001.

22. Иванчура, В.И. Параллельная работа быстродействующих импульсных стабилизаторов напряжения / В.И. Иванчура, Ю.В. Краснобаев, Д.В. Капулин // Материалы Международной конференции «Электромеханические преобразователи энергии» -Томск, 2005.-С. 69-71.

23. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта. М: Радио и связь, 1986. 576 с.

24. Солонина, А.И. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов / А.И. Солонина, Д.А. Улахович, Л.А. Яковлев СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 464 с.

25. Миронов, В.Г. Основы технологии цифровой обработки сигналов. 4.1. Свойства сигналов и современные технические средства их обработки. / В.Г. Миронов // Электричество 2001, №3. С. 55 - 65.

26. Романов, О.В. Обзор новых АЦП компании Analog Devices. / О.В. Романов // Электронные компоненты 2005, №4. С. 33 - 35.

27. Баранов, JI.A. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления / JI.A. Баранов М.: Энергоатомиздат, 1990. - 304 с.

28. Котельников, В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости /В.А. Котельников М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956 - 151 с.

29. Гринфельд, Г.М. Дискретные системы автоматического управления: Уч. Пособие / Г.М. Гринфельд; Комсомольский-на-Амуре гос. тех. ун-т Комсомольск-на-Амуре: ИПЦ КАГТУ, 1996. - 78 с.

30. Нейдорф, Р.А. Эффективная оценка интервала дискретизации для микропроцессорного управления / Р.А. Нейдорф // Изв. вузов. Электромеханика 2001 - №2 - С. 48 - 51.44.3иглер, К. Методы проектирования программных систем / К. Зиглер. -М.: Мир, 1985.-328 с.

31. Мамзелев, И.А. Вычислительные системы в технике связи / И.А. Мамзелев. М.: Радио и связь, 1987 - 240 с.

32. Седов, А.В. Уточнение теоремы дискретизации и формулы восстановления сигнала по дискретным отсчетам / А.В. Седов // Изв. вузов. Электромеханика 2001 - №2 - С. 52 - 59.

33. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн; М.: Наука, 1984 831 с.

34. Куо, Б. Теория и проектирование цифровых систем управления / Б. Куо. М.: Машиностроение, 1986. 450 с.

35. Бендат, Дж. Измерение и анализ случайных процессов / Дж. Бендат, А. Пирсол. М.: Мир, 1974 464 с.

36. Каппелини, В. Цифровые фильтры и их применение / В. Каппелини, А. Константинидис, П. Эмилиани. М.: Энергатомиздат 1983 359 с.51 .Рабинер, JI. Теория и применение цифровой обработки сигналов / JI. Рабинер, Б. Голд М.: Мир, 1978 - 850 с.

37. Лосев, В.В. Микропроцессорные устройства обработки информации. Алгоритмы цифровой обработки / В.В. Лосев Минск: Вышэйшая школа, 1990- 130 с.

38. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков -М.:Высш.шк., 2000-462 с.

39. Теряев, Е.Д. Цифровые системы и поэтапное адаптивное управление / Е.Д. Теряев, Б.М. Шамриков М.: Наука, 1999 - 330 с.55.0стрем, К. Системы управления с ЭВМ / К. Острем, Б. Виттенмарк -М.: Мир, 1987-480 с.

40. Теория автоматического управления / Под ред. А.А. Воронова М.: Высш.шк., 1986-505 с.

41. Васильев, В.Н. Компьютерная обработка сигналов в приложении к• интерферометрическим системам / В.Н. Васильев, И.П. Гуров СПб.:

42. БХВ-Санкт-Петербург, 1998 240 с.

43. Льюнг, Л. Идентификация систем / Л. Льюнг М.: Наука, 1991. - 431 с.

44. Арутюнов, П.А. Теория и применение алгоритмических измерений / П.А. Арутюнов М.: Энергоатомиздат, 1990. - 255 с.

45. Тутевич, В.Н. Телемеханика / В.Н. Тутевич М.:Высш.шк., 1985. -420 с.

46. Трахтман, A.M. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов / A.M. Трахтман М.: Сов. Радио, 1972. - 351 с.

47. Дьяконов, В. П. MathCAD 8/2000: специальный справочник / В, А. Дьяконов. СПб.: Питер, 2000. - 592 с.

48. Источники вторичного электропитания / Под ред. Ю.И. Конева М.: Радио и связь, 1983. - 280с.

49. Краснобаев, Ю.В. Устойчивость системы электроснабжения с импульсными стабилизаторами / Ю.В.Краснобаев, В.И.Иванчура, И.Н.Пожаркова // Матер, межд. НТК: "Электромеханические преобразователи энергии". Томск, 2005. С.39 41.

50. Иванчура, В.И. Методика оценки устойчивости системы электроснабжения с импульсными стабилизаторами / В.И.Иванчура, Ю.В.Краснобаев, И.Н.Пожаркова // Электрика. М., 2004. №9, С.24 -27.

51. Терещенко, Т.А. Исследование электромагнитных процессов в преобразователях электроэнергии с микропроцессорным управлением / Т.А. Терещенко // Тез. докл. IV Всесоюзной НТК: "Проблемы преобразовательной техники" Ч. VI. Киев, 1987. - С.241 - 243.

52. Применение интегральных схем: Практическое руководство. В 2-х кн.

53. Кн. 1. Пер с англ. / Под ред. А. Уильямса. М.: Мир, 1987. - 432 с.

54. Абдуллаев, А.А. Микропроцессорная система управления преобразователями / А.А. Абдуллаев, В.Ю. Барановский // Тез. докл. IV Всесоюзной НТК: "Проблемы преобразовательной техники". Ч. III. Киев-1987-С.З.

55. Подбельский, В.В. Программирование на языке С. Второе дополненное издание / В.В. Подбельский, С.С.Фомин М.: Финансы и статистика. 1999. - 600 с.

56. Емец, С. Разработка эффективных С-программ для микроконтроллеров / С. Емец // Компоненты и технологии ~ 2004 -№3 -с.З 5-41.

57. Жучков, К. Сравнительный анализ производительности процессоров для задач цифровой обработки сигналов / К. Жучков, С. Хружий, Е.Чепель // Электронные компоненты 2003 - №3 - с. 21-24.

58. Романов, О.В. Микросхемы с низким энергопотреблением от компании Analog Devices. Часть 2. Малопотребляющие АЦП. / О.В. Романов // Электронные компоненты 2005 - №2 - С. 46 - 60.

59. Курбатов, А. А. О выборе и применении 12-разрядных быстродействующих АЦП / А.А. Курбатов // Компоненты и технологии 2006 - №3 - с.63-67.

60. Техническое описание дифференциального драйвера АЦП AD8138 электронный ресурс. Режим доступа: http://www.analog.com/ru/prod/0%2C2877%2CAD8138%2C00.html

61. Конев, Ю.И. Некоторые перспективные направления развития транзисторных преобразовательных устройств / Ю.И. Конев // Электронная техника в автоматике. 1984. - № 15. - С. 5-9.

62. Грушвицкий, Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики / Р.И. Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 608 с.

63. Стешенко, В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: Элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры / В.Б. Стешенко М.: Додэка-ХХ1 2002. - 576 с.

64. Антонов, А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL / А.П. Антонов СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 520 с.

65. Зобенко, А.А. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus И. Краткое описание и самоучитель / А. А. Зобенко, А. С. Филиппов, Д. А. Комолов, Р. А. Мяльк. М.: РадиоСофт, 2002 г. - 360 с.

66. Малашевич, Б. А. Отечественные базовые матричные кристаллы / Малашевич Б. А., Симонов Б. С. // Компоненты и технологии 2004 -№5 - С.34-39.

67. Техническое описание интегральных схем серии «Титул» ФГУП «НИИ Электронной техники» электронный ресурс. Режим доступа: http://www.niiet.vrn.ru/about/about.htm.

68. Техническое описание базовых матричных кристаллов, производимых ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tcen.ru/prod/prodp.phtml?path=prod32

69. Техническое описание интегральных схем, микротконтроллеров, производимых ОАО «Ангстрем» электронный ресурс. Режим доступа: http://www.angstrem.ru/product/product.htm

70. Техническое описание базовых матричных кристаллов серии 5503, 5507, производимых ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ электронный ресурс. Режим доступа: http://www.asic.ru/5503 ,html# 1

71. Лобанов, В. И. Заметки о проектировании современных цифровых систем на отечественной элементной базе / В. И. Лобанов // Chip News. 2004 № 5 - С. 54-59.

72. Лобанов, В.И. Азбука разработчика цифровых устройств / В.И. Лобанов М.: Горячая линия - Телеком - 2001 - 192 с.

73. Тихомиров, С.Н. Средства разработки для современных цифровых сигнальных процессоров / С.Н. Тихомиров СПб.: Профессия - 2004 -192 с.

74. ADSP-21065L SHARC User's manual, 2nd edition, July 1999

75. Техническое описание сигнальных процессоров семейства tigerSHARC производства Analog Devices электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.analog.com/processors/russia/tigersharc/index.html

76. Баранов, С.И. Синтез микропрограммных автоматов / С.И. Баранов -Л.: Энергия, 1974.-201 с.

77. Дейкстер, Э. Дисциплина программирования / Э. Дейкстер М.: Мир- 1983.-314 с.

78. Майерс, Г. Искусство тестирования программ / Г. Майерс М.: ФиС- 1982- 186 с.

79. Беннетс, Р.Дж. Проектирование тестопригодных логических схем / Р.Дж. Беннетс М.: ФиС - 1990. - 340 с.

80. Гутников, B.C. Интегральная электроника в измерительных приборах / B.C. Гутников Л.: Энергия - 1974. - 321 с.

81. Техническое описание сигнального процессора Л1879ВМ1 (NM6403) электронный ресурс. Режим доступа: http://www.module.ru/ruproducts/proc/nm6403.shtml.