WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Логических и цифровыхустройствинверторов напряжения электроприводов

На правахрукописи

Белицкая ЛилияАнатольевна

Синтезпомехоустойчивых логических и цифровыхустройствинверторов напряжения электроприводов

Специальность05.13.05 –Элементы и устройства вычислительнойтехники

и систем управления

Авторефератдиссертации на соискание ученойстепени

кандидата техническихнаук

Томск– 2008


Работавыполнена в открытом акционерном обществе«Научно-производ-ственный центр «Полюс» (г.Томск) и в Томском политехническомуниверситете

Научныйруководитель – Малышенко АлександрМаксимович,

доктор технических наук,профессор

Официальныеоппоненты: Воевода АлександрАлександрович,

доктор технических наук, профессор

Замятин Николай Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Ведущаяорганизация – Федеральноегосударственное унитарноепредприятие
«Научно-производственное объединениеавтоматики
имени академика Н. А. Семихатова», г.Екатеринбург

Защитасостоится 18 декабря 2008 года в 15.00 назаседании диссертационного совета Д212.268.03Томского государственного университетасистем управления и радиоэлектроники поадресу: 634050, Томск-50, пр. Ленина,40.

Сдиссертацией можно ознакомиться вбиблиотеке Томского государствен-ногоуниверситета систем управления ирадиэлектроники.

Авторефератразослан «____» ноября 2008 г.

Ученыйсекретарь

диссертационногосовета

к.т.н.,доцентМещеряков Р.В.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальностьработы

В настоящее времянеобходимыми свойствами электроприводовявляется их высоконадежная, бесперебойнаяработа. При создании и эксплуатациицифровых устройств систем управлениясложными и дорогостоящими автономнымиобъектами (космическими аппаратами,подводными лодками, ракетными комплексамии т.п.) быстродействие, помехоустойчивостьи надежность являются необходимойпредпосылкой для выполнения заданий, амалейшие сбои или отказы в работе могутпривести к непоправимымпоследствиям.

В современной техникеможно выделить различные вариантыпостроения цифровых электроприводов. Вчастности, реализовать их системыуправления можно либо на микропроцессорах,либо на интегральных микросхемах средней ималой степени интеграции. Имеется классэлектроприводов, в которых системыуправления выполнены на комбинационныхсхемах. Существование электропри-водовспециального назначения с подобнойструктурой управляющей части обусловленорядом причин. Главная из них – отсутствие цифровыхпроцессоров с требуемыми характеристикамив ограничительных перечняхэлектрорадио-элементов.

В системе управленияэлектропривода при обработке цифровыхсигналов, передаче и хранении информациимогут происходить сбои (возникать ошибки).Наиболее естественный способ борьбы стакими ошибками состоит в улучшении каналапередачи и среды, в которой эти сигналыхранятся или преобразуются.

Существует многоспособов обеспечения помехоустойчивости инадежности цифровых системуправления.

Известно, что надежностьлогических и цифровых устройств можноповы-сить без резервирования их элементов.Для достижения этой цели необходимоприменять элементы и схемы с большимзапасом надежности. При их изготов-лениитребуются новейшие технологии и точностьсборки. Однако это не может обеспечитьмноголетнюю длительную эксплуатациюсистем без сопровождения людей.

Другой путь – это введениеизбыточности, т.е. введение в системудополнительных средств и возможностейсверх минимально необходимого их числа сцелью повышения надежности системы.Например, при тройной модульнойизбыточности параллельно разворачиваютсятри составляющие, причем все выполняютодну и ту же функцию.

Нередко используетсярезервирование со схемой голосования.Такой путь был предложен Дж. фон Нейманом,который разработал и проанализировалсхему тройного резервирования элементов смажоритарной функцией голосования. Привозникновении независимого отказа одногоиз элементов он не проявляется, и выходныеданные остаются правильными, но припрохождении помех на выходе информацияискажается.

Избыточность это нетолько двух- или трехкратноерезервирование, но и включение лишнихсимволов в сигналы, вырабатываемыеустройствами, с целью исправления ошибок иподавления помех.

Хотя различные схемыкодирования очень непохожи друг на друга иоснованы на различных математическихтеориях, всем им присуще общее свойство–информационная избыточность. Например,двоичный код с одним дополнительнымпроверочным разрядом четности, доводящимколичество единиц в кодовом слове дочетного числа, позволяет обнаруживать однуошибку. Однако, код с одной проверкой начетность –простейший и его возможности очень малы.Для решения этой задачи более подходит кодХемминга, в который добавлены разряды,каждый из которых контролирует своюгруппу. Существуют также коды, которыепозволяют обнаруживать и исправлятьошибки на основе особой физическойструктуры. Например, код Грея, обладает темсвойством, что при последовательномпереходе одной кодовой комбинации к другойизменяется лишь один разряд, что даетвозможность предотвратить ошибки.Многофазный код на основеособой физической структуры позволяет создавать гибкие системыконтроля, имеющие высокие возможностиобнаружения и исправления ошибок. Это возможно из-за сохранения в нем непрерывностимножеств логических нулей и единиц. Приэтом появляется возможность исправленияне только одиночных ошибок, но и двойных,тройных и т.д. ошибок, а также различныхпачек таких ошибок. Возможности этогоисправления возрастают с увеличениемчисла фаз кода.



Существуют такжесистематические коды для исправленияошибок в цифровых узлах электропривода,которые исследовались В.И. Кочергинымметодами теории цифро-векторных множеств.Это новый, универсальный метод синтезакомбинационных схем, в основу которогоположена классическая теория множеств, гденумерованное множество чисел натуральногорасширенного ряда располагается в ячейкахфизического пространства, идея построениякоторого была предложена в 19-м веке русскимакадемиком Е.С. Федоровым. Достоинстваданного метода заключаются в егоэффективности, наглядности (графическомпредставлении логических функций),отсутствии ограничений на способкодирования и разрядность входных ивыходных сигналов синтезируемыхустройств.

Все вышеизложенное иобусловливает актуальность задачисоздания помехоустойчивых, надежных ибыстродействующих цифровых и логическихустройств систем управленияэлектроприводов на основе теориицифро-векторных множеств.

Цель диссертационнойработы –решение научно-технической задачи синтезапомехоустойчивых логических и цифровыхустройств систем управленияэлектроприводов на основе теориицифро-векторных множеств.

Для реализациипоставленной цели определены следующиенаправленияисследований:

1. Решение задач синтезапомехоустойчивых логических и цифровыхустройств многофазного и двоичногокодирования и представление их с помощьюгеометрических образов в многомерномцифровом пространстве. Разработка на этойоснове электрических схем логических ицифровых устройств дляэлектроприводов.

2. Моделированиепредложенных устройств иэкспериментальное их исследование с цельюоценки их помехоустойчивости инадежности.

3. Разработка алгоритма ипрограммного обеспечения дляавтоматизированного синтеза цифровых илогических устройств на комбинационныхсхемах с заданными параметрамиконтролеспособности.

4. Разработкамногофазных конверторов и инверторовнапряжения с цифровой организациейуправления.

Методыисследования

Теоретическиеисследования по синтезу помехоустойчивыхлогических и цифровых устройств базируются на теориимногомерных цифро-векторных множеств,булевой алгебре, теории надежности, наметодах математического моделирования свыбором соответствующих программныхсредств. Результаты теоретическихисследований иллюстрируются примерамиреализации конкретных комбинационныхсхем, получивших практическое применение вразработках ОАО НПП «Полюс».

Научнаяновизна

  1. Впервые определенои обосновано минимальное количествоконтрольных сигналов (равное трем) дляисправления одиночных ошибок вмногофазных кодах любой фазности.

2. Разработана методикасовмещения специализированной арифметикиустройств двоичного и недвоичногокодирования с исправлением ошибок,отличительной особенностью которойявляется добавление контрольных разрядоводновременно для всех входных операндов.

3. Разработаныбазирующиеся на теории цифро-векторныхмножеств модели помехоустойчивых цифровыхустройств систем управленияэлектроприводов: быстродействующих устройствисправления одиночных и двойных ошибокдвоичного кода; устройств суммирования ивычитания; многовходового сумматора;многофазного регистра, которые отличаютсяиспользованием систематическихкодов.

4. Предложен алгоритмавтоматизированного синтеза сиспользованием теории цифро-векторныхмножеств, позволяющий получатьгеометрические образы устройств, которыепредставляют комбинационные схемы вдвухуровневом исполнении и могут бытьпредставлены в двоичном и многофазномкоде.

Основныеположения, выносимые на защиту

  1. . Использованиесистематических кодов при проектированиицифровых и логических устройств позволяетисправлять ошибки в выходных сигналахмногофазного кода и повыситьпомехозащищенность схемы, работающей вданных кодах.

2. Проектированиепомехоустойчивых устройств на основетеории цифро-векторных множеств, позволяетполучать области допустимыхнеисправностей, а на их основе – геометрическиеобразы исправленных сигналов, результатомкоторых являются логические функции,записанные в дизъюнктивной нормальнойформе и реализуемые на любой элементнойбазе.

3. Развитие концепциимногофазного преобразования приразработке конверторов и инверторов наоснове цифровой организации схемыуправления. Отработанные цифровые узлысигнальной части, позволяют добитьсястабильной работы ключей, высокой выходноймощности и увеличить результирующуючастоту переключения.

Личный вкладавтора

1. Выведена зависимостьконтрольных сигналов от информационных,выполненных в многофазных кодах.

2. Разработан алгоритм ипрограммное обеспечениеавтоматизированного синтезапомехоустойчивых логических и цифровыхустройств.

3. Исследованы модели ипроведен расчет надежностипомехоустойчивых устройств.

4. Разработаныпринципиальные схемы устройств управлениядля электроприводов, в состав которыхвходят помехоустойчивые устройства, схемыконверторов и инверторов напряженияэлектроприводов постоянного и переменноготока, а также проведены их испытания.

Практическаязначимость

1. На основе теориицифро-векторных множеств разработаныпомехоустойчивые устройства (ихструктурные и электрические схемы),используемые в цифровых системахуправления инверторами и конвертораминапряжения.

2. Моделипомехоустойчивых устройств позволяютимитировать нештатные ситуации в процессеэксплуатации устройств, что ускоряетвыявление причин возможных неисправностейи пути их устранения.

3. Оценены вероятностибезотказной работы разработанныхпомехоустойчивых устройств и ихпреимущество в сравнении с устройствамибез резервирования.

4. Предложено иконструктивно проработано техническоерешение по реализации многофазногорезервированного RS-триггера,обеспечивающего высокую надежность,новизна и полезность которогоподтверждены патентом РФ.

5. Разработаноалгоритмическое и программноеобеспечение, существенно упрощающееисследование и проектированиепомехоустойчивых логических и цифровыхустройств.

6. Получены техническиерешения по реализации структурмногофазных конверторов и инверторовнапряжения электроприводов постоянного ипеременного тока, обеспечивающихстабильность работы за счет использованияцифрового формирования управляющихсигналов.

Реализация результатовработы

Результатыдиссертационной работы используются приразработке электро-приводов специальногоназначения, а именно:

- разработанныймногофазный конвертор напряженияиспользуется для токоограничения припуске двигателя постоянного тока ДП-130(заказчик – НПО«Машиностроение», г. Реутов), разработанопытно-промышленный образец многофазногоконвертора (конструкторская документацияЕИЖА.206797,

ЕИЖА.435331.003);

- разработанныемногофазный резервированныйделитель-счетчик и помехоустойчивыйсумматор используются в ОАО НПЦ «Полюс»в стендовом оборудовании для испытаний инастройки мощных электроприводов позаказам ОАО НПО «Гидромаш» (г. Москва) и ОООНТК «Криогенная техника» (г. Омск).

Подтверждениемреализации результатов диссертационныхисследований являются включенные вдиссертацию два акта о внедрении.

Достоверностьрезультатовработы подтверждается экспериментальнымиисследованиями предложенных устройств ивнедрением их в успешно реали-зуемыепромышленные разработки ОАО НПЦ«Полюс».

Апробациярезультатов

Основные результатыдиссертационной работы были представленыи обсуждались на следующих 12-тинаучно-технических конференциях: надесятой, одиннадцатой и тринадцатоймеждународных научно-практическихконферен-циях «Современная техника итехнологии» (г. Томск, Томскийполитехнический университет (ТПУ), 2004, 2005 и2008 гг.); на восьмой и девятой всероссийскихнаучных конференциях с международнымучастием «Решетневские чтения» (г.Красноярск, СибГАУ, 2004 и 2005 гг.); на второймеждународной конференции «Автоматизация,управление и информационные технологии»(г. Новосибирск, Академгородок, 2005 г.); нанаучно-практической конференции молодыхспециа-листов и молодых ученыхпредприятий ракетнокосмическойпромышленности «Судьба российскойкосмонавтики» (г. Королев, ИПК «Машприбор»,2005 г.); на международной научно-техническойконференции «Электромеханическиепреоб-разователи энергии» (г. Томск, ТПУ, 2005г.); на третьей международнойнаучно-практической конференции«Электронные средства и системыуправления» (г. Томск, ТУСУР, 2005 г.); навсероссийской научной конференции молодыхученых «Наука. Технологии. Инновации», (г.Новосибирск, НГТУ, 2005 г.); нанаучно-технических конференцияхаспирантов, соискателей имолодых специалистов «Электронные иэлектромеханические системы и устройства»(г. Томск, ФГУП «НПЦ «Полюс», 2004 и 2006гг.).

Публикации

По результатамисследований опубликовано 17 научных работ,из них 2 статьи в журналах, рекомендованныхВАК, 15 – вматериалах конференций. Получен одинпатент на изобретение.

Структура и объемдиссертации

Диссертация состоит извведения, четырех глав, заключения,списка использованной литературы итрех приложений. Общий объем работы (безприложений) составляет 157 страниц исодержит 115 рисунков и 8 таблиц. Списокиспользованной литературы оформлен на 7страницах и содержит 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность,сформулированы цели работы, определеныосновные направления исследований, ихнаучная новизна и практическая ценность,приведены основные положения, выносимые назащиту.

В первой главе проанализированыпроблема проектирования цифровыхустройств электроприводов и методысинтеза комбинационных схем, отмеченыдостоинства и недостатки последних.Показаны различные подходы,обеспечивающие достижение высокойнадежности и помехоустойчивости цифровыхсистем.

Развитие современнойтехники и технологий обусловливает всеболее жесткие требования кэлектроприводам специального назначения:от них требуется повышенные надежность,быстродействие и помехозащищенность,большой ресурс работы (до 120 тыс.ч.); высокийКПД, хорошие виброшумовые характеристики;устойчивость к импульсным коммутационнымпомехам, низкий уровень вносимых приводомискажений в сетевое напряжение. Это в своюочередь требует применения как «новых»двигателей (вентильных,вентильно-индукторных, бесколлекторных),так и новых, более сложных реализаций схемуправления электроприводом, что влечет засобой применение современной элементнойбазы (силовой и управляющей), позволяющейреализовать данные схемы, новых методовсинтеза средств и систем управленияэлектроприводов.

Подробные обзорыметодов синтеза комбинационных схемимеются, в частности, в работах Поспелова Д.А., ГолдсуортаБ., Закревского А.Д., Соловьева В.В.,Шалыто А.А., Буля Е.С., В.П., Шеннона К.А.Существующие методы синтеза при созданиицифровых устройств электроприводов невсегда дают удовлетворительный результат.Кроме того, их нельзя использовать длянедвоичных контролеспособных системсчисления, которые применяются, например,при построении систем управлениямногофазными инвертораминапряжения.

В диссертационномисследовании используется метод синтезакомбина-ционных схем, в основу которогоположена концепция геометрическогосинтеза на основе теории цифро-векторныхмножеств1.Сущность метода состоит в отоб-ражениитаблицы истинности комбинационной схемына упорядоченное мно-жество цифр – цифровую ось. Тогдавходные и выходные сигналы синтезируе-могоустройства могут быть представленыграфически в виде множества эквива-лентныхцифр на оси, каждой из которых однозначносоответствует конкретная комбинациявходных сигналов. В общем случае возможенлюбой способ коди-рования эквивалентныхцифр (например, многофазный или кодГрея).

Для создания надежногоцифрового электропривода необходимаразработка специализированных помехозащищенныхустройств. Главной особенностью логическихкомбинационных схем цифровых устройствявляется максимальное быстродействие какпри выполнении основной функции, так и приисправлении ошибочных ситуаций (по сути,синтезируемые устройства должны бытьедиными функционально-корректирующимиблоками). Другая особенность – недвоичноекодирование цифровой информации.

______________________

1КочергинВ. И. Теория многомерных цифровых множествприложениях к электроприводам и системамэлектропитания. – Томск: ТПУ, 2002. – 444 с.

Вторая глава посвящена синтезу основныхустройств систем управленияэлектроприводов. Здесь рассмотренывопросы применения систематических кодов,позволяющие обнаруживать и исправлятьошибки при проектировании системуправления инверторами напряжения вэлектроприводах.

Показано, что структурыэлектроприводов, несмотря на большоеколичество различных вариантов ихпостроения, имеют в своем составефункциональные блоки одинаковогоназначения. В цифровую систему управлениявходят следую-щие функциональныеустройства, предназначенные длявыполнения логических и арифметическихопераций (сумматоры, счетчики, умножители,преобразователи кодов, регистры и т.п.);цифро-аналоговые устройства – дляпреобразования цифровых сигналов ваналоговые, частотных сигналов внапряжения и наоборот; согласующиеустройства –для организации связей с гальваническойразвязкой между устройствами обработкиинформации и входными/выходными сигналами.

Представленные в этойглаве блоки сложения и вычитания, счетчик,регистр, многовходовой сумматор,устройство исправления одиночных идвойных ошибок представляются как вдвоичном, так и многофазном коде.Разработаны их электрические схемы.Поведение каждого объектаэкспериментально моде-лировалось иисследовалось. Приведены результатыанализа помехоустойчивости и надежностиустройств, синтезированных на основетеории многомерных цифро-векторныхмножеств.

Многофазный кодприменяется в инверторах напряженияэлектроприводов переменного тока, стабилизаторахнапряжения и других устройствахпреобразовательной техники, впреобразователях угла в код и впересчетных схемах. Недостатокмногофазного кода заключается в том, чтоошибки, возникающие на границе единиц инулей многофазного кода, не исправляются,но кодовая комбинация переходит в другую,сохраняя при этом принцип многофазности.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11







































































х1











х2











х3



















Рис. 1.Зависимостьшести- фазных сигналов сконтрольной частью

Автором предложено дляисправления всех одиночных ошибокмного-фазного кода добавлятьтри контрольных сигнала. Этопозволяет получить кодовое расстояние неменее 3 между любыми кодовыми комбинациями,что является достаточным для исправлениявсех одиночных ошибок. Исправление ошибокв систематическом коде, где естьинформационные и контрольные сигналы,означает, что когда все цифровоепространство рабочее, т.е. в немисправляются все ошибки и система являетсярезервированной – обрыв или короткое замыканиев каждом разряде кода невлияют на работоспособность ситемы.

Вкачестве примера приведен синтезустройства исправления одиночных ошибок вшестифазном коде при использовании трехконтрольных сигналов, где многофазныесигналы кода () связаны с экви-валентными цифрамиконтрольной части кода х1, х2,х3,зависимостью, показанной на рис.1.Распределение цифр 0–11 при одиночных ошибках вмногофазных и контрольных

разрядах кодапредставлено на рис. 2.

=0

















































































































































0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31


х1 0 0 0 0
0

9 0





8 0













6

х2
1 0 11
10


8


8
8 8 8 2













8


2 0

10










8















х3

3
10 10 10


10


10






10







4

7


4 0 11
9
9
9






9






9 3








5 11 11
11
11
9
11




8
11











5 7


6






9






















7


7 1 11
10










7






7


7
7 7 7

















=1





























































































































32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63


х1 0 0













6 2





6 3

6
8 6 6

х2
1 2













8 2 2 2
2


2


4

6


2



























4

6
х3

3 1

10







4


2


4


4


4 4 4


4






9 3






3






3 3 3
3
5 6


5 1 11











5
2




5
3
5
5
5 5


6 1






















3








7 1 1 1

1

1






1










4
5 7

Рис. 2. Одиночные ошибкив ячейках 9-мерного пространства

Сигнал естьмножество цифр = {1, …, 6},геометрический образ исправленногосигнала представлен на рис. 3. На основании этогогеометрического образа записанылогические выражения для сигнала :

1= 12= 23=
2= 13= 24=
3= 14= 25=
4= 15= 26=
5= 16= 27=
6= 17= 28=
7= 18= 29=
8= 19= 30=
9= 20= 31=
10= 21= 32=
11= 22= 33=
= {1,2,3,4,5,6}









=0




























































































































0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31


х1 0






























*

х2
1















*
















2































х3

3



























*




4























*








5





























*


6

































7 *















































= 1






























































































































32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63


х1 0














* *





* *

* R * * *

х2
1 *














* * * R *


*


*
R *


2















R






R


*

*
х3

3 *










*


*


*


*


* * *


4







*






*






* * *
*
* *


5 *












*
*




*
*
*
.*
* *


6 *














R






*


R




7 * * *
*


*






*






R


*
*

Рис. 3. Геометрическийобраз сигнала

Показано, что синтезустройства обнаружения и исправленияошибок, в ситуациях, когда одиночные ошибкивозникают только на границешестифазного кода, возможен, исходя изтого, что остальные ошибки уже исправленыпо мажо-ритарному принципу (рис. 4).
















.














.








.








0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


х1 0 0 0 2 3
6 6 6 8 9
0

х2
1 0 2 2 2 4 5 6 8 8 8 10 11


2 0


4
6


10
х3

3
1 2 4 4 4
7 8 10 10 10


4 0
3 3 3 5 6
9 9 9 11


5 11 1 2 3 5 5 5 7 8 9 11 11


6
1
3


7
9



7 1 1 1
4 5 7 7 7
10 11

Рис. 4.Одиночные ошибки,возникающие на границе шестифазногокода

Геометрический образисправленного сигнала представлен на рис.5.








= {1, 2, 3, 4, 5, 6}







0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

х1 0

* * R * * *




х2 1
* * * * * *






2
R R R * R *





х3
3
* * * * * R






4
R * * * * *





5
* * * * * *






6 R * R * R R








7 * * * R * *







Рис. 5. Геометрическийобраз исправленного сигнала

Логическая функцияисправления ошибок в первой фазе имеет вид:

= .

Определено, что наборсхем, реализующих операцию исправления,является универсальным для исправлениямногофазного кода с любым количеством фазкратным трем. Отмечено, что метод повышенияпомехоустойчивости на основе теориицифро-векторных множеств позволяетсовместить специализированную арифметикус исправлением ошибок.

Одноразрядный сумматорC = (A+B) с основанием системы счисленияn = 4, гдесистематический код ABX содержит информационные разрядыоперандов A(a1, a2), B(b1, b2) иконтрольные разряды X(x1, x2, x3), общиедля этих двух операндов. Для синтезасумматора используется систематическийкод (рис. 6)2.







a2










































a1






























































АB

























b1 0 6 5 3




































b2 7 1 2 4



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

=



3 5 6 0
























Х

























4 2 1 7














































Рис. 6. Зависимостьинформационных сигналов с контрольнойчастью

Таблица суммированияодноразрядного устройства представлена нарис. 7. Геометрические образы выходныхсигналов сумматора – рис. 8.

Операнд суммирования B\A 0 1 2 3

0 0 1 2 3

1 1 2 3 1.0

2 2 3 1.0 1.1

3 3 1.0 1.1 1.2

Рис. 7. Таблицасуммирования

__________________

2 Кочергин В. И. Теория многомерныхцифро-векторных множеств. – Томск: Изд-воТомского ун-та, 2006. – 380 с.





a2

















a1
















b1









b2

*
* c1

* * c2



р

*
*

* *



*



*
* * *



* *

*
*
*

*
* * *

Рис. 8. Геометрическиеобразы выходных сигналов сумматора

Из рис. 8 следует, что выходныесигналы сумматора являются множествамицифр основания системы счисленияn = 16:

c1 = 1 3 4 6 9 11 12 14,

с2 = 2 3 5 6 8 9 12 15,

p = 7 10 11 13 14 15.

Распределениеэквивалентных цифр (0 – 15) информационнойчасти кода, а также этих же цифр приодиночных ошибках в информационных иконтрольных разрядах кода определяютсярис. 9.





AB

b1


b2











a2













a1









X













x1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

x2 0 0 0 0 11 0 5 6 7 0 11 11 11 12 13 14 11

1 0 5 2 3 5 5 14 5 8 9 14 11 14 5 14 14
x3
2 0 1 6 3 6 13 6 6 8 13 10 11 13 13 6 13
3 8 3 3 3 4 5 6 3 8 8 8 3 8 13 14 15


4 0 1 2 7 12 7 7 7 12 9 10 11 12 12 12 7

5 2 9 2 2 4 5 2 7 9 9 2 9 12 9 14 15

6 1 1 10 1 4 1 6 7 10 1 10 10 12 13 10 15
7 4 1 2 3 4 4 4 15 8 9 10 15 4 15 15 15

Рис. 9. Одиночные ошибкив ячейках пространства

Геометрические образы результатасуммирования с исправлением ошибок,представлены на рис. 10.

Покрытие цифровыхмножеств этих геометрических образов впространстве координат A(a1, a2,b1, b2)X(x1, x2, x3) либо координат b1b2х3 определяет логическую функцию,исправляющую все одиночные ошибки:





AB

b1


b2











a2












a1








X












x1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

x2 0


*

*

* * * *
* * c’1 b1 b2 х3

1


*

*

* * * *
* *
x3
2
* * * *
* *


*

*
11 2 1 3 1 4 1
3
* * * *
* *


*

*


4
*

*


* *
* * * *
51 61 71 81

5
*

*


* *
* * * *

6 * *
* * * *

*

*







7 * *
* * * *

*

*








* *




*


c'2 b1 b2 х3

* * * * *
* * *


*



* *

* * *




*
12 22 32 42
* * * *
* * * * * * * *

*


*
*


* *

* * *
52 62 72 82
* *
*
* *
* * * * *
* *






*




*

*






* *


* * *
*
* * *




*


*
* * *
* *
p' b1 b2 х3






*


* * *
* *





*


* * * * *
* 13 23 33 43













* * *



*
* * *

* *


* 53 63 73 83







*





* *


*
*

* *
* *
* * *







*

* *
* * *

Рис. 10. Геометрическиеобразы исправленных выходныхсигналов

Подмножества (11–81)состоят из более мелких подмножеств иимеют логические функции следующего вида(аналогично и для (12–82), (13–83)):

11


* =


*








21

*
=

*








,



*


*









*


*









* * *


*

* *
*
* *
* *

*


* * *
*

* * *


*

* *
*
* *
* *

*


* * *
*
31
* * * =


*

* *
*
* 41 *
* * =

*


* * *
*


* * *


*

* *
*
* *
* *

*


* * *
*



*


*









*


*











*


*









*


*








51
*

=
*









61 *


= *












*


*









*


*










* *
*
*

* *


*
* * * *
*


* *

*
*
* *
*
*

* *


*
* * * *
*


* *

*
*
71 * *
* =
*

* *


*
* 81 * * *
= *


* *

*
*

* *
*
*

* *


*
* * * *
*


* *

*
*

*


*









*


*











*


*









*


*










Здесь 11= ,21=,

31= , 41=,

51= , 61=,

71= ,81=.

Модель устройствасуммирования приведена на рис. 11.Исследования выполнялись с использованиеммоделирующей программы Micro-Cap. Результатымоделирования подтверждаютпомехоустойчивость устройств.

Рис. 11. Модельустройства суммирования

В третьей главе приведено описание разработаныхалгоритма и програм-много обеспечения дляавтоматизированного синтеза цифровых илогических устройств электроприводов сиспользованием теории многомерныхцифро-векторных множеств.

Блок-схема алгоритмасинтеза помехоустойчивых устройствприведена на рис. 12. В блоке входнойинформации 1 осуществляется вводразмерности инфор-мационных и контрольныхсигналов, необходимых для исправленияодиночных ошибок или загрузка данных изфайла с расширением *.snt.

Оператор 2 определяеткодовую последовательность, т.е.зависимость контрольных сигналов отинформационных, образующихсистематический код.

Логический оператор 3проверяет условие – совершен ли поворот, если нет, тоопределяется кодовая последовательность,в противном случае пользователюпредоставляется возможность выбратьсистематический код.

Оператор 4 определяет вмногомерном цифровом пространстве всоответствии с кодовойпоследовательностью распределениеэквивалентных цифр информационной частикода, а также этих же цифр при одиночныхошибках.

Оператор 5 выполняетпостроение гео-метрических образоввыходных сигналов устройства.

Оператор 6 осуществляетпокрытие и формирует эквивалентныелогические функции в дизъюктивнонормальной форме.

В блоках выходнойинформации 7 и 8 осуществляется сохранениерезультата синтеза с расширением *.rez ивыход из программы, либо возврат к любомуэтапу синтеза.

Программаавтоматизированного синтеза логических ицифровых устройств реализована с помощьювизуальной среды разработки Borland С++.

В четвертойглаве приведены результатыанализа работы многофазного конверторадля двигателя постоянного тока снизковольтным напряжением питания;конвертора с высоковольтным напряжениемпитания; силовой стойки на основемногофазного ключа, входящих вэлектроприводы переменного и постоянноготока, а также схема управления дляиспытательного стенда с рекуперациейэнергии нагрузки, где применены устройстваповышенной помехоустойчивости инадежностью.

Особенностью таких схемявляется использование цифро-аналоговыхпреоб-разователей (ЦАП) с многофазнымивыходными сигналами управления, которыеобеспечивают фазовый сдвиг этих сигналовво времени с равным интервалом.

Структурная схематакого ЦАП приведена на рис. 13.Делитель-счетчик и сумматор реализуются врезервированном исполнении.

На рис. 14 представленасхема конвертора, состоящая из многофазнойсило-вой части с параллельным соединениемполностью управляемых полупровод-никовыхключей VТ1,VТ2, …, VТm и разделительнымидросселями в фазах Dp1… Dpm, ЦАПс многофазными выходными сигналамиуправления. Двигатель постоянного тока(ДПТ) является нагрузкой.

Данные о токе инапряжении на входе и выходе ключа,мощности, коэффициенте полезного действия(КПД) при работе двигателя сшестнадцатифазным ключом при напряжениипитания 27,5 В приведены в табл. 1.

Внешний вид данногоконвертора приведен на рис. 15.

Рис. 13. Структурнаясхема ЦАП с многофазным выходом

Рис. 14. Схемамногофазного конвертора

Таблица 1

Uпит, В Iпотр.сети, А Uвых.преобр, В Iпреобр = Iдв,А Рсети, Вт Рпреоб, Вт КПД Мн, Н·м n,об/мин

27,5
9,33 4,6 51 256,57 234,6 0,914 1,14 870
35,33 8,5 106 971,57 901,0 0,927 2,5 1830
43,33 9,0 122 1191,57 1098,0 0,921 3,0 2100
56,0 10,1 141 1540,0 1424,1 0,924 3,5 2490
71,33 11,4 160 1961,57 1824,0 0,929 4,0 2880
94,0 12,6 180 2475,0 2304,0 0,930 4,5 3240
117,33 14,4 205 3226,57 2952,0 0,914 5,1 3660

Рис. 15.Внешний вид низковольтногоконвертора

Высоковольтныймногофазный конвертор имеет структуру(рис. 14), в качестве ключевых элементовприменяются IGBT транзисторы – работающие начастоте 10 кГц. Внешний вид приведен на рис. 16.

Рис. 16.Внешний вид высоковольтногоконвертора

В табл. 2 приведенызначения входной и выходной мощности, КПДфизической модели шестнадцатифазногоконвертора при номинальном напряжениипитания 242 В.

Таблица 2

Uпит, В Iпотр.сети, А Iн, А Uн, В Рсети, Вт Рн, Вт КПД

242
8,04 27 70 1944,0 1890 0,972
14,00 37 86 3382,0 3182 0,939
21,82 44 112 5280,4 4928 0,933
32,00 54 140 7744,0 7560 0,976
43,64 62 160 10560,8 9920 0,939
53,30 70 180 13119,9 12600 0,960
64,00 75,5 196 15487,8 14798 0,955

На рис. 17 показанвнешний вид силовой 16-фазной стойки наоснове многофазных верхних и нижнихсиловых ключей. Управление верхним инижним ключом силовой стойкиосуществляется в противофазе.

В табл. 3, 4 приведенырезультаты испытаний макетного образца.При этом нагрузка подключается то к шине +Uпит, то к общей шине питания, нагружая тонижний, то верхний ключ,соответственно.

Таблица 3

, % 20 40 60
Uпит, В 268 265 266
Iпотр., А 9 35 81
Uнагр, В 52 106 165
Iн, А 39,5 79,5 122,7
Рпотр, Вт 2412,0 9275,0 21568,5
Рвых, Вт 2073,7 8427,0 20245,0
КПД 0,86 0,91 0,94

Таблица 4

, % 20 40 60
Uпит, В 271 267 260
Iпотр., А 10,5 36 78
Uнагр, В 57 107,5 159
Iн, А 43 81 119,5
Рпотр, Вт 2850,7 9612,0 20280,0
Рвых, Вт 2451,0 8707,5 19000,5
КПД 0,86 0,91 0,94

Рис. 17. Внешний видстойки

Технические решения,реализованные в цифровых системахуправления с использованием устройств скодовой избыточностью, обеспечиваюттребуемую помехоустойчивость и надежностьмногофазных инверторов и конверторовнапряжения.

Заключение

Основные результатыдиссертационной работы представляютрешение важной научно-технической задачисинтеза помехоустойчивых логических ицифровых устройств для электроприводовпостоянного и переменного тока изаключаются в следующем:

  1. На основе теориимногомерных цифро-векторных множестввыполнен синтез основных устройствцифровых систем управленияэлектроприводов: схем исправленияодиночных и двойных ошибок двоичного кода,счетчика, регистра, сумматора,многовходового сумматора, отличающихсяпомехозащищенностью за счет добавленияинформационной избыточности. Разработаныих структурные и электрическиесхемы.
  2. К многофазномукоду, естественным образомприсутствующему в циф-ровых каналахэлектропривода, добавлены контрольныеразряды. Исследование процедурыисправления ошибок кодов с такойструктурой сигналов показало, чтоустройство исправления для каждой фазыносит регулярный характер, не зависит отколичества фаз при их числе кратном трем,корректирующие узлы в устройствахмногофазного кода синтезируются путемпростого наращивания

числа унифицированныхузлов.

  1. Создано и защищенопатентом новое построениерезервированного RS-триггера, позволяющеесущественно поднять эффективностьиспользования многофазногоделителя-счетчика, обеспечивающеговысокую надежность (0,9999 за 60 т.ч.).
  2. Выполненомоделирование и экспериментальноеисследование логических и цифровыхустройств.Разработанные моделипозволили провести качественный анализпомехоустойчивости. Найдены вероятностибезотказной работы устройств, построенныхна 533 серии, подтверждающие эффективностьпомехо-устойчивого кодирования на основетеории цифро-векторных множеств.
  3. Разработаноалгоритмическое и программноеобеспечение, реализующие синтез цифровых устройств наоснове теории цифро-векторных множеств,результатом которого является логическаяфункция, записанная в дизъюнктивнойнормальной форме, которая может бытьреализована на любой элементной базе.Программное обеспечение позволяетработать с систематическими кодами именять параметры на входе с автоматическимизменением геометрического образаустройства. Программа формируетгеометрические образы сигналов в ручномили автоматическом режиме в виде цифровыхмножеств, демонстрируя наглядностьиспользуемого метода синтеза.

5. Разработаны ивыполнены исследовательские иопытно-конструкторские работы поотработке многофазных инверторов иконверторов напряжения,обеспечивающие высокие КПД, надежность,энергетические показатели, отличающиесятем, что стабильность работыобеспечивается использованием цифровогоуправления при формированиисигналов.

Результатыисследований целесообразно использовать вкосмической и военной технике, впромышленности и во всех других отраслях,где применяются цифровые и логическиесистемы управления, работающие в режимереального времени, в которых необходимообеспечить бесперебойную работу, высокуюпомехозащищенность.

ПУБЛИКАЦИИ ПОМАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Белицкая Л.А. Синтезустройства исправления одиночных идвойных ошибок двоичной системы счисленияоснования N = 16 //Наука. Технологии. Инновации: Материалывсероссийской научной конференции молодыхученых в 7-ми ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Ч. 1.– С.196.

2. Белицкая Л.А. Способыобнаружения и исправления ошибок вэлектро-приводах // Электронные иэлектромеханические системы и устройства:Тез. докл. науч.-техн. конф. молодыхспециалистов ФГУП НПЦ «Полюс». – Томск: ФГУП НПЦ«Полюс», 2004. –С. 10.

3. Белицкая Л.А. Путиповышения надежности робастных цифровыхсистем управления // Электронные иэлектромеханические системы и устройства:Тез. докл. науч.-техн. конф. – Томск: ФГУП НПЦ«Полюс», 2006. –С. 281.

4. Белицкая Л.А.Исправление одиночных ошибок вмногофазных кодах // Известия Томскогополитехнического университета, 2006, № 2.– С. 212

5. Белицкая Л.А.Многофазный конвертор мощного двигателяпостоянного

тока // Известия Томскогополитехнического университета, 2006, № 7.– С. 181

  1. Белицая Л.А.Алгоритм синтеза помехоустойчивыхлогических и цифровых

устройств на основетеории цифро-векторных множеств //Современная

техника и технологии:Труды ХIII международной науч.-прак. конф.студентов, аспирантов и молодых ученых в 2-хт.– Томск:Изд-во ТПУ, 2008. Т. 2. – С. 242.

7. Кочергин В.И., БелицкаяЛ.А. Синтез одноразрядного сумматора сисправлением одиночных ошибок //Электронные средства и системыуправле-ния: Доклады Международнойнауч.-прак. конф. – Томск: Издательство Инсти-тутаоптики атмосферы СО РАН, 2005. В 2-х частях. Ч. 2.– С. 20.

8. Кочергин В.И., БелицкаяЛ.А., Гоголин В.А. Синтез контролеспособныхустройств суммирования и вычитания системуправления электроприводов //Электромеханические преобразователиэнергии: Материалы Международнойнауч.-техн. конф. Томск: ТПУ, 2005. – С. 374.

9. Кочергин В.И., ГейнцЭ.Р., Гоголин В.А., Белицкая Л.А., Латыпов Е.В.Синтез унифицированного рядаэлектроприводов для управленияэлектро-двигателями переменного токакорабельных систем // Электронные иэлектромеханические системы и устройства:Сб. науч.тр. –Новосибирск: Наука, 2007. – С. 182.

10. Кочергин В.И.,Белицкая Л.А., Гоголин В.А. Интеллектуальныесиловые ключи с цифровым многофазнымпринципом управления // Электронные иэлектромеханические системы и устройства:Сб. науч.тр. –Новосибирск: Наука, 2007. – С. 198.

11. Кочергин В.И., МорозовС.Д., Гоголин В.А., Белицкая Л.А.Преобра-зователи DC/DC для собственных нуждэлектроприводов корабельных систем //Электронные и электромеханические системыи устройства: Тез. докл. науч.-техн. конф.– Томск: ФГУПНПЦ «Полюс», 2006. – С. 143.

12. Кочергин В.И., БелицаяЛ.А. Синтез суммирующих устройств внетрадиционных двоичных кодах //Современная техника и технологии: Труды Хмеждународной науч.-прак. конф. студентов,аспирантов и молодых ученых в 2-х т.– Томск: Изд-во ТПУ, 2004.Т. 2. – С. 116.

13. Кочергин В. И.,Белицкая Л.А. Решение задачи повышениянадежности логических и цифровыхустройств в режиме реального времени //Решетневские чтения: материалы VIII Всерос.науч. конф. с междунар. участием. – Красноярск: СибГАУ,2004. – С. 156.

14. Кочергин В.И.,Белицкая Л. А. Синтез одноразрядногосумматора, не реа-гирующего на одиночныеошибки во входных сигналах операндов//Решетневские чтения: материалы IX Всерос.науч. конф. с междунар. участием. – Красноярск: СибГАУ,2005. – С. 254.

15. Kochergin V.I., Belitskaya L.A.,Synthesis of multiple input adder-substractors in which carry signal and borroware shaped according to input and output constituents of the signals // Moderntechniques and technologies: The eleventh International scientific andpractical conference of students, postgraduates and young scientists.– Tomsk: TPU, 2005.– Р. 146.

16. Kochergin V.I., Belitskaya L.A. andGogolin V. A. Synthesis of the multi-input adder with the maximaloperating speed// Automation, Control, and Information Technology: Proceedingsof the second IASTED International multi-conference. Novosibirsk, 2005.– Р. 83.

17. Кочергин В.И.,Белицкая Л.А. Синтез цифровых устройствэлектро-приводов и энергоснабжениякосмических комплексов повышеннойнадежности и быстродействия // Судьбароссийской космонавтики: тез. науч.-прак.конф. молодых специалистов и молодыхученых предприятий ракетно-космическойпромышленности. – Королев: ИПК «Машприбор», 2005. – С. 98.

18. Патент РФ № 2308147.Резервированный RS-триггер / В.И. Кочергин,Л.А. Белицкая, В.А. Гоголин, Е.В.Латыпов.



 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.