Энергосбережение на городском электрическом транспорте

Для использования в модели, функцию магнитного потока от тока будем искать в виде Ф=АI . Тогда выражение (68) в данном случае примет вид:

, (69)

где Ф_i и I_i берутся из таблицы 1.

Таблица 1

Намагничивающая характеристика

сФ В/об.мин	0.145	0.225	0.285	0.335	0.385	0.430
I, А	30	50	70	100	150	200

Найдем такие значения параметров А и , что F(А,) будет иметь минимальное значение. Для этого определим частные производные вспомогательной функции по переменным:

(70)

(71)

Поскольку мы ищем оптимальные значения, то для них должно быть справедливо условие:

(72)

Или подставив (71) в (72) получим систему из двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными:

(73)

Решение системы находим с помощью итерационного метода Ньютона [13, 27, 118]. Оптимальные значения оказались следующими по величине А = 1.31 и = 0.454. Теперь полученную функцию можно использовать в модели с большой степенью точности.

После введения в модель дополнительных уравнений связи неизвестных параметров не осталось, однако появились новые. В уравнение (56) для крутящего момента колеса входит к.п.д. - пока еще неизвестная величина. Как известно к.п.д. двигателя постоянного тока не является константой [1, 16, 20, 28, 51], а зависит от значения тока протекающего через двигатель.

Запишем формулу, следующую из определения к.п.д.:

, (74)

На основании изложенного потери мощности д можно представить в виде:

, (75)

где К - постоянные потери; Vн - переменные потери в номинальном режиме работы; х=Iя/Iя ном=Pя/Pя ном - относительное значение тока якоря машины.

Подставим (75) в (74) и получим:

, (76)

Или преобразовав, напишем новое выражение:

, (77)

В общем виде уравнение (77) можно записать так:

, (78)

Выражение (78) записано для относительного значения тока Х, для абсолютной величины оно примет вид:

, (79)

Формулы (78) и (79) являются окончательными, однако еще необходимо определить значения коэффициентов А1, А2.

Поиск параметров А1, А2 проведем методом наименьших квадратов, используя справочные данные [115, 118, 120]. Данные представим в виде таблицы (таблица 2).

Таблица 2

Характеристика к.п.д.

, %	67.4	79.3	84.2	84.8	83.2	81
I, А	30	50	70	100	150	200

Теперь составляем вспомогательную функцию:

, (80)

Находим ее частные производные по искомым параметрам:

, (81)

, (82)

Для оптимальных значений А₁ и А₂ необходимо выполнение условия:

. (83)

Подставляя (79) и (80) в (81) снова получаем систему нелинейных уравнений с двумя неизвестными:

(84)

Упростим выражения входящие в (84) используя формулу (78):

, (85)

, (86)

Теперь представим систему (84) в оптимальном виде для расчетов на ЭВМ.

. (87)

В результате решения системы (87) с помощью метода Ньютона были получены значения искомых параметров: А₁=0.076; А₂=0.051.

Для расчетов используем окончательную формулу:

, (88)

, (89)

Теперь все неизвестные параметры и функции входящие в уравнения системы (51) определены и можно записать все зависимости, используемые в модели для процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с РКСУ:

, (90)

, (91)

при Fр >0

при Fр <0 (92)

при Fр > Mg

, (93)

, (94)

, (95)

, (96)

, (97)

5.16 при N=0 , Iя > Iпер 4.308 при N=1 , Iя > Iпер 3.308 при N=2 , Iя > Iпер 2.968 при N=3 , Iя > Iпер 1.848 при N=4 , Iя > Iпер Rреост(Iя,N) = 1.54 при N=5 , Iя > Iпер 1.232 при N=6 , Iя > Iпер 0.924 при N=7 , Iя > Iпер 0.71 при N=8 , Iя > Iпер 0.538 при N=9 , Iя > Iпер 0.231 при N=11, Iя> Iпер 0 при N=12, Iя> Iпер	1 при N 12 , Iя > Iпер 0.72 при N=13 , Iя > Iпер 0.53 при N=14 , Iя > Iпер ( Iя,N) = 0.4 при N=15 , Iя > Iпер (98) 0.31 при N=16 , Iя > Iпер 0.21 при N=17 , Iя > Iпер 0.18 при N=18 , Iя > Iпер 0.15 при N=19 , Iя > Iпер

Очевидно, такую систему в общем случае невозможно решить в явном виде и представить в аналитической форме. Однако, несмотря на ее сложность можно найти решение с помощью численных методов и применения ЭВМ. Численные методы решения систем дифференциальных уравнений в настоящее время хорошо разработаны и применяются довольно часто на практике [11, 13, 14]. Одним из самых распространенных способов поиска решения является метод Рунге-Кутта [7, 26, 27, 46]. Большинство методов для повышения точности вычислений использует разложение решения по формуле Тейлора (или, как еще говорят, разложения в ряд), метод же Рунге-Кутта требует фактического вычисления только значений правой части уравнения (7, 26, 27, 46), а не каких либо ее производных [114,118, 133]. Этот факт послужил основой широкого использования именно этого метода [11]. Разностные схемы метода классифицируются по порядку точности. В программе решения задачи используется четвертый порядок.

Разностная схема для дифференциального уравнения y=f(t,y) имеет вид:

, (99)

где , (100)

, (101)

, (102)

, (103)

Если f C₄(G G), то локальная погрешность этого метода есть О (h⁴), а глобальная погрешность равна О (h⁵).

Для решения системы более эффективны специальные математические программные продукты, такие как MATCAD, MATLAB, MAPLE, и т.д.

В применении к вышеописанной модели оптимальным вариантом программного продукта можно считать MATCAD 7. [8, 45, 83, 84, 92, 94, 95, 96, 99, 116, 117].

2.3 Постановка задачи оптимизации, выбор и обоснование целевой функции и формулировка ограничений

Электроподвижной состав ГЭТ условно можно представить в виде следующей системы (рис. 16):

На рисунке обозначено: КВ - контроллер водителя; УУ - устройство управления; ОУ - объект управления; f(t) - вектор внешних возмущений (не управляемые факторы); x(t) - задающее воздействие; u(t) - управляющее воздействие; z(t) - выходная координата объекта управления.

Задающим воздействием является желаемая скорость ЭПС, а выходной координатой - его фактическая скорость.

Потребление энергии ЭПС непосредственно связано с влиянием как внешних, так и внутренних факторов. Поэтому в качестве целевого функционала необходимо принять во внимание такой, в котором была бы в полной мере отражена суть протекающих процессов:

, (104)

где Акс - энергия, потребленная из контактной сети за время пуска Т; Р - мгновенное значение мощности ЭПС; х - мгновенное значение управляющего воздействия; uкс - напряжение контактной сети; Rоб - общее сопротивление электрической цепи; vд - мгновенное значение фактической скорости ЭПС; iд - мгновенное значение фактического тока тягового двигателя; t - время.

Компоненты вектора внешних воздействий (uкс, Rоб, vд, iд) не являются стационарными во времени величинами.

Проанализируем величины, управляющие объектом:

Задающее воздействие является дискретной величиной, которая сохраняет некоторые постоянные значения на протяжении отдельных (и не равных друг другу) моментов времени. Действительно, в ходе движения по маршруту режимы, заданные водителем, меняются не постоянно, а сохраняются неизменными некоторое время и могут повторяться.

ЭПС имеет следующие ограничения:

1. Во первых, момент движителей не должен превышать определенной величины, по условиям сцепления колес с дорогой.

2. Во-вторых, в тяговой электрической машине не должно возникать режима «круговой огонь по коллектору».

3. В-третьих, ускорение ЭПС должно находиться в допустимых пределах.

Все три ограничения определяются предельно допустимой величиной тока тягового двигателя. Кроме того, ток двигателя определяет и электропотребление ЭПС. Следовательно, задача оптимизации ЭПС ГЭТ по электропотреблению сводится к нахождению такого закона изменения тока тягового двигателя, который в ходе реализации цели управления доставлял минимум функционалу

. (105)

При ограничениях: Iд ? Imax, где Imax - максимально допустимый ток тягового двигателя по условиям коммутации, максимально допустимых момента и скорости. Полученная постановка попадает в класс «Экстремальных задач», «Задача о минимальном расходе топлива» [17,24,47,100,108].

2.4 Синтез закона оптимального управления электроподвижным составом

Синтез закона управления следует начать с рассмотрения полученной математической модели объекта управления. Математическая модель процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с РКСУ представляет собой систему двух дифференциальных уравнений:

(106)

где dw_д / dt - угловое ускорение двигателя,

F'p - сила тяги на колесе,

w_д ? угловая

скорость двигателя, I_д ? ток двигателя, Мпр - приведенная масса, Rк ? радиус колеса, ред - коэффициент передачи редуктора, J - момент инерции, U - напряжение на токоприемнике, Rоб - общее сопротивление цепи, Ф - магнитный поток, L ? магнитная индукция.

Так как мы решаем задачу для тягового режима, то F'p берем равным:

(107)

В справочной литературе приводятся таблицы значений магнитного потока Ф от тока I. Однако этого недостаточно для использования в математической модели, ввиду того, что функция задается в небольшом количестве точек. Поэтому необходимо расширить область определения функции магнитного потока Ф, т.е. подобрать такой вид функции который наилучшим образом приближен к табличным данным. Для этого может быть использован метод наименьших квадратов. В результате использования данного методом получили следующую зависимость магнитного потока от тока:

. (108)

Величина J - момент инерции, в нашем случае определяется по формуле:

, (109)

где М - масса всех движущихся частей системы.

В систему уравнений (106) входит величина ? к.п.д. двигателя. Как известно к.п.д. двигателя постоянного тока не является константой, а зависит от значения тока протекающего через двигатель, эта зависимость выглядит следующим образом:

. (109)

Выражение (109) делает дальнейший процесс вычисления сложным. Для простоты примем значение к.п.д. примерно равным 80 % 3 %. (Ток у нас изменяется примерно от 100 А до 350 А и согласно справочных данных среднее значение к.п.д. такому изменению тока как раз и соответствует примерно 80 %.)

Подставив в первое уравнение системы (106) все известные величины, выражаем ток двигателя:

(110)

Получили зависимость тока от линейной скорости. Скорость V меняется от V0 = 0 км/ч до Vk = 70 км/ч.

Задача оптимизации ЭПС ГЭТ по электропотреблению сводится к нахождению такого закона изменения тока тягового двигателя, который в ходе реализации цели управления доставлял бы минимум интегралу, характеризующему энергетические затраты:

. (111)

Выразим общее сопротивление цепи из второго уравнения системы:

(112)

Минимум интеграла (111) обеспечивается при минимальном значении выражения . А минимальные энергетические затраты характеризующиеся данным интегралом как раз и обеспечивают оптимальное управление. Далее используя численный метод, находим зависимость между V и I_д. В выражении вместо I_д подставляем (110), а в место R_об выражение (112). Скорость изменяется от 0 до 70 км/ч. Для нахождения минимального значения интеграла (111) данный интервал разобьём на интервалы с шагом 0.1 и на каждом шаге будем находить минимальное значение выражения .

Далее рассмотрим ограничения накладываемые на систему: во первых, ускорение должно быть не меньше 1.2 м/с2 и не больше 1.5 м/с2, данное ограничение накладывается в соответствии с требованиями к комфорту и энергоэффективности (см раздел 2.2.). Используя данное ограничение будем выбирать ускорение из указанного интервала, обеспечивающее минимальное значение выражения . Во-вторых, в тяговой электрической машине не должно возникать режима «круговой огонь по коллектору», данное ограничение математически можно записать Iд < (1.5-2) Iн, и в-третьих, момент движителей не должен превышать определенной величины, по условиям сцепления колес с дорогой, т. е. сила сцепления с дорогой должна быть больше силы тяги на колесе Tk > Fp . Это неравенство можно представить в виде

(113)

где W_об - сопротивление движению от трения.

Из неравенства (113) следует, что

(114)

В результате решения данной задачи с учетом ограничений наложенных на систему получаем желаемую зависимость тока от скорости характеризующую оптимальное управление рис. 17.

Далее подставляя в имитационную модель значение нового тока и значение нового сопротивления получаем график характеризирующий энергетические затраты и сравнивая эти затраты с энергетическими затратами реальной системы управления видим, что экономия электроэнергии в результате полученных результатов составляет около 28 % (рис. 18, 19).

В описании математической модели нигде специально не оговаривались величины параметров входящих в нее. Это соответствует широкой применимости полученной модели, для различных типов двигателей. При варьировании остальных (не паспортных) величин алгоритм устойчив и обладает адекватностью [13, 14, 24, 26, 27, 105, 133].

Блок-схема алгоритма поиска закона оптимальной зависимости скорости тягового двигателя от тока приведена на рис. 20.

При синтезе закона оптимального управления тяговым двигателем использовались паспортные данные троллейбуса ЗиУ - 682 - Г. Эта модель, на сегодняшний день, наиболее широко распространена в троллейбусных парках большинства городов России (примерно 75 %).

Однако, изложенная методика синтеза оптимального (по электропотреблению) закона управления не меняется по своей сути. Любой иной тип подвижного состава лишь изменит числовые коэффициенты в математической модели.

Блок-схема алгоритма поиска закона оптимальной зависимости скорости тягового двигателя от тока

Рис. 20.

2.5 Выводы по второму разделу

1. Теоретический анализ процесса эксплуатации существующих систем тягового электропривода показал необходимость снижения себестоимости эксплуатации ЭПС ГЭТ, в том числе и за счет его оптимизации по энергопортеблению.

2. Предложенная концепция построения системы оптимального (по энергопотреблению) управления ТЭП с двигателями последовательного возбуждения дает принципиальную возможность оптимизировать эксплуатируемый ныне ЭПС ГЭТ с РКСУ.

3. Синтезированный закон оптимального управления тяговым электроприводом постоянного тока пригоден для управления ТЭП ЭПС ГЭТ с РКСУ и другими объектами с двигателями последовательного возбуждения и релейными системами управления.

4. Для технической реализации системы оптимального управления необходимо разработать:

· систему датчиков мгновенных значений тока, напряжения контактной сети, положения контроллера водителя, и фактической скорости ЭПС,

· микропроцессорную систему, реализующую функции контроля и управления по оптимальному закону,

· программное обеспечение микропроцессорной системы.

3. АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОПТМИАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНЫМ

СОСТАВОМ

3.1 Аппаратная реализация системы оптимального управления электроподвижным составом

3.1.1 Система датчиков

Датчики тока и напряжения позволяют решить практически все проблемы в области систем управления, связанные с созданием систем обратной связи (ОС) в контурах управления. А также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Датчики обеспечивают точную изолированную ОС в системах управления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике.

Среди технических параметров датчиков, применяемых на ЭПС ГЭТ, особое внимание нужно уделить следующим: электрические воздействия; механические воздействия; температурные воздействия; условия эксплуатации.

На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков. При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как: внешние магнитные воздействия; электромагнитные помехи; крутизна фронта импульсов; специальные требования по электрической и механической прочности; совместимость с существующими стандартами.

На основании анализа вышеизложенных факторов автором были выбраны датчики тока и напряжения. Ниже приведены некоторые характеристики датчиков и аспекты, по которым сделан данный выбор.

Датчик тока LT 500-T/SP53. Датчик предназначен для электронного преобразования токов: постоянного, переменного, импульсного и т.д. в пропорциональный выходной ток, с гальванической развязкой между первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепями. Устанавливается в силовую цепь электродвигателя.

Электрические параметры.

IPN - номинальный входной ток, эффективное значение 500 А
IP - диапазон преобразования 0... ±1000 А
RM - величина нагрузочного резистора	RМ min	RМ max
питание ± 15 В при ±500 Аmax	0	45 Ом
при ±700 Аmax	0	5 Ом
питание ± 24 В при ±500 Аmax	20	125 Ом
при ±1000 Аmax	20	20 Ом
ISN - номинальный аналоговый выходной ток 100 мА
КN - коэффициент трансформации 1 : 5000
VC - напряжение питания ±15…24 В
IC - ток потребления 30(при ±24 В)+ISN мА
Vd - электрическая прочность изоляции, 50 Гц, 1 мин, 12 кВ

Точностно-динамические характеристики.

XG - точность преобразования при IPN, TА = 25 oC ± 0,3 %
еL - нелинейность < 0,1 %
	среднее	максимальное
I0 - начальный входной ток IР = 0, TА = 25 oC		±0,2 мА
IОТ - температурный дрейф IО = ?50 oC…+85 oC	±0,3мА	±0,5 мА
tr - время задержки при 90 % от IP max <1 мкс
di/dt - скорость нарастания выходного тока > 50 А/мкс
f - частотный диапазон (?1dB) DC…150 кГц
ТА - рабочая температура, ?60 …+85 oC
ТS - температура хранения, ?60 …+100 oC
RS - выходное сопротивление, при TА = 70 oC ? 80 Ом
при TА = 85 oC ? 85 Ом
m - вес (не более) 1,2 кг

Стандарты ТУ 3413-001-00512622-96

Механические характеристики.

Общий допуск ± 5,0 мм.

Крепление: 4 отв. диаметром 6,5 мм или на первичную шину.

Подключение первичной цепи: 2отв. диаметром 13 мм.

Подключение вторичной цепи: самоконтрящиеся гайки М5.

Момент затяжки гаек: 2,2 Н·м.

Размеры датчика тока LT 500-T/SP53

Вторичная цепь

Вывод «+»: напряжение питания +15…24 В

Вывод М: измерительный

Вывод «?» : напряжение питания ?15…24 В

Датчик напряжения LV 100-1500/SP3. Датчик предназначен для электронного преобразования напряжений: постоянного, переменного, импульсного и т.д. в пропорциональный выходной ток с гальванической развязкой между первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепями. Устанавливается в щиток в кабине водителя, на силовой провод с токоприемника.

Электрические параметры.

VPN - номинальное входное напряжение, эффективное значение 1500 В
VP - диапазон преобразования 0... ±2400 В
IPN - номинальный входной ток, эффективное значение 6, 66 мА
RM - величина нагрузочного резистора	RМ min	RМ max
питание ± 15 В, при ±1500 Вmax	0	195 Ом
при ±2400 Вmax	0	100 Ом
питание ± 24 В, при ±1500 Вmax	95	355 Ом
при ±2400 Вmax	95	1950 Ом
ISN - номинальный аналоговый выходной ток 50 мА
КN - коэффициент трансформации 1500 В/50 мА
VC - напряжение питания (±5 %) ±15…24 В
IC - ток потребления 30+ISN мА
Vd - электрическая прочность изоляции, 50 Гц, 1 мин 6 кВ

Точностно-динамические характеристики.

XG - точность преобразования при VPN, TА = 25 oC ±0,7 %
еL - нелинейность < 0,1 %
	среднее	максимальное
IО - начальный входной ток IР = 0, TА = 25 oC		±0,2 мА
	±0,2мА	±0,8 мА
IОТ - температурный дрейф IО ?40 oC…+85 oC
tr - время задержки, при 90 % от VP max <120 мкс
ТА - рабочая температура ?40 …+85 oC
ТS - температура хранения ?50 …+100 oC
RS - выходное сопротивление, при TА = 85 oC ? 65 Ом
R1 - сопротивление первичной цепи, при TА = 25 oC ? 225 кОм
N - коэффициент трансформации 15000 : 2000
Р - потребление первичной цепи, не более 10 Вт
m - вес (не более), 0,870 кг

Стандарты EN 50155.

Компенсационный датчик на эффекте Холла.

Изолирующий пластиковый негорючий корпус.

Встроенный первичный резистор R1.

Vс = ± 15 .. 24 (±5 %) В.

ТА = ?40 оС .. +80 оС.

Механические характеристики

Общий допуск: ± 0,3 мм.

Крепление: 2 отв. диаметром 6,5 мм.

Подключение первичной цепи: самоконтрящиеся гайки М5.

Подключение вторичной цепи: самоконтрящиеся гайки М5.

Подключение заземления: самоконтрящиеся гайки М5.

Момент затяжки: не более 2 Н·м.

Размеры датчика напряжения LV 100-1500/SP3 (в мм.)



Вторичная цепь.

Вывод «+»: напряжение питания ? +15…24 В

Вывод М: измерительный

Вывод «?»: напряжение питания ? ?15…24 В

Вывод

: заземление.

Индукционный датчик скорости (ИДС). Предназначен для измерения скорости (0?100 км/час) и выдачи информации в виде импульсов напряжения постоянного тока. Устанавливается в маслозаливную крышку на центральном редукторе троллейбуса. Датчик «считает» количество зубьев шестерни редуктора, проследовавших мимо него за единицу времени. Следовательно, потребуется расчет зависимости частоты следования импульсов от скорости колеса.

Зависимость частоты следования импульсов от скорости колеса

Начальные данные:

Диаметр колеса ? 1070 мм

Число зубьев на ведомой шестерне ? 34 шт.

Коэффициент передачи редуктора - 11,3

L_k = d·р; (115)

L_k = 1070 • 3.14 = 3360 мм = 0,00336,

где L - длина колеса по окружности (км);

V_k = V_двиг.· м_ред.·м_д.р. (116)

где V_k - скорость колеса (км/час), V_двиг - скорость двигателя, м_ред ? коэффициент редукции на колесе, м_д.р. - коэффициент редукции на двигателе;

V_k = n_k · L_k, (117)

где n_k - число вращения колеса (об/час).

За 34 импульса (один оборот шестерни) троллейбус пройдет 2,97·10^-4 км.

n_k = Q_им·1/11,3, (118)

где Q_им - количество импульсов за один оборот колеса;

Q_им = n_имп.шт.·34, (119)

где n_имп.шт. - число импульсов (штук/час).

V_k = 34· n_имп.шт.·1/11.3·L_k ; (120)

34· n_имп.шт= V_k·11.3/ L_k ; (121)

F_{имп.с дат.}=1/34· n_имп.шт. ; (123)

F_{имп.с дат.}=1/11,3· L_k/ V_k ; (124)

F_{имп.с дат.}= 2,97·10^-4/ V_k ; (125)

где F_{имп.с дат.} - частота следования импульсов с датчика (Гц).

Формула (125) представляет собой зависимость частоты следования импульсов от скорости колеса.

Предложенный автором новый способ пуска тягового двигателя [68] реализуется впервые. Ранее не внедрялось подобных систем управления на подвижной состав с РКСУ. Анализ существующих датчиков, используемых в системах управления подвижным составом показал, что изделий подобного предназначения не выпускается. Следовательно, необходимо разработать датчик положения контроллера водителя, который генерирует цифровой сигнал для микропроцессорной системы оптимального управления. Для того чтобы микропроцессорная система могла определить положение контроллера водителя, предлагается использовать герконы МКА - 07101 (5штук), которые крепятся с внутренней стороны контроллера водителя в определенное место для каждого из его положений и постоянный магнит, закрепленный на валу контроллера водителя. При нажатии на педаль контроллера водителя и повороте его вала выдается сигнал для микропроцессорной системы оптимального управления, представленный в таблице 3.

Таблица 3

Положение контроллера водителя	Выходной код датчика положения (по разрядам)
	4	3	2	1	0
«0» - все цепи обесточены	1	0	0	0	0
«М» - маневровая позиция	0	1	0	0	0
«Х1» - первая ходовая позиция	0	0	1	0	0
«Х2» -вторая ходовая позиция	0	0	0	1	0
«Х3» - третья ходовая позиция	0	0	0	0	1

Датчик положения контроллера водителя (Рис. 32)

Блок стабилизации сигналов с герконов. Для нормальной работы программы микропроцессора и устранения эффекта «дребезга контактов» необходим блок стабилизации сигналов. Данный блок реализован на двух микросхемах КР142ЕН5А и К1533ЛН1. В разомкнутом состоянии на всех выходах с герконов находится логическая единица, а в замкнутом состоянии логический ноль. Все элементы расположены на печатной плате. Конденсаторы С1 и С2 должны быть не менее 2,2 мкФ, микросхема КР142ЕН5А запитывается от напряжения +24В, которая преобразует его в напряжение +5В. Это напряжение необходимо, чтобы запитать микросхему К1533ЛН1, которая имеет в своем составе 6 логических элементов НЕ. Поэтому на выходе из блока мы получим сигналы (О - 10000, М - 01000, Х1 - 00100, Х2 - 00010, Х3 ? 00001), которые и требовались.

Размер печатной платы (50Х30Х1,5), размер корпуса (82Х40Х10), входной и выходной разъемы для коннекторов «витой пары» RJ -45 UTP (21Х11Х9), крепится корпус на 4 самореза, диаметр 4-х отверстий 5мм. Устанавливается блок стабилизации непосредственно в корпусе контроллера водителя.

Посредством кабеля «витая пара» блок стабилизации (являющийся по сути дела выходном датчика положения контроллера водителя) соединяется с центральной частью микропроцессорной системы. По каналам «витой пары» блок передает двоичный код положения контроллера водителя и получает электропитание «+» 24 В.

Принципиальная электрическая схема датчика положения контроллера водителя представлена на рис. 34.

Технические характеристики геркона МКА-07101.

Коммутационная мощность, не более 1 Вт.

Диапазон коммутации токов, 5•10-6?0,1 А.

Диапазон коммутации напряжения, 5 10-2 ?24 В.

Род тока: постоянный, переменный.

Количество срабатываний, 106 ?5х107.

Род нагрузки: активный.

Частота коммутации, не более

(в зависимости от режима коммутации) 400 Гц.

КВ коэффициент вибрации, 0,35?0,95.

Время срабатывания, не более 0,3 мс.

Время отпускания, не более 0,1 мс.

Электрическая прочность изоляции в нормальных условиях Вэфф/Впост, не менее 110/150.

Сопротивление, не более 0,2 Ом.

Сопротивление изоляции, не менее 1·109.

Результирующая частота, не менее 12 кГц.

3.1.2 Микропроцессорная система управления

Раздел посвящен синтезу микропроцессорной системы управления (МПСУ) подмагничивающей цепью реле ускорения-торможения (РУТ) троллейбуса ЗиУ-682Б. На предприятиях городского электрического транспорта России эта модель составляет примерно 75 %. Еще раз отметим, что модель ЭПС не важна принципиально.

МПСУ предназначена для решения следующих задач:

? первичное вычисление оптимальной зависимости скорости тягового двигателя от тока;

? преобразование сигналов, поступающих с системы датчиков в форму, пригодную для дальнейшей обработки;

? обработка данных;

? вычисление величины сигнала управления;

? реализация управляющего воздействия необходимого уровня.

Центральное процессорное устройство. MC68HC90 является высокопроизводительным 8-разрядным микроконтроллером (МК). Поддерживает 16 способов адресации, среди которых следует выделить:

? индексную со смещением и без него, с последующим автоинкрементированием содержимого регистра косвенной адресации;

? индексную со смещением по содержимому регистра указателя стека, которая позволяет использовать указатель стека в качестве дополнительного регистра косвенной адресации. Система команд MC68HC908GP32 включает 90 инструкций (команд).

МК MC68HC908GP32 имеет объединенное адресное пространство памяти программ, данных и регистров специальных функций периферийных модулей и, как следствие, полную идентичность команд обращения к памяти программ, данных и регистрам специальных функций.

Внутренняя магистраль адреса позволяет адресовать 64 Кб памяти. В карту памяти включены регистры специальных функций: регистры параллельных портов ввода/вывода, регистры данных и регистры управления периферийных модулей. Адреса регистров специальных функций и ОЗУ располагаются в верхней части карты памяти, начиная с адреса Н0000, что связано с особенностью системы команд, которая позволяет производить операции над отдельными битами ячеек памяти, адрес которых лежит в пределах Н0000...Н00FF.

Кроме того, система команд предусматривает выполнение пересылки массива именно в регистры данных периферийных модулей с автоинкрементированием текущего адреса байта данных в массиве. Модули FLASH-памяти программ МК MC68HC908GP32 имеют в своем составе регулятор, который позволяет производить операции стирания/программирования FLASH-ПЗУ под управлением программы, размещенной в ОЗУ МК, без подключения внешнего источника повышенного напряжения. Технология изготовления модулей FLASH-ПЗУ постоянно совершенствуется, что обуславливает не только снижение стоимости МК, но и увеличение гарантированного числа циклов стирания/программирования.

Устройства повышения надежности функционирования МК включают: сторожевой таймер, систему мониторинга напряжения питания с формированием сигнала сброса при включении напряжения питания и при его снижении до уровня неработоспособности МК, систему контроля неправильного кода команды или формирования адреса несуществующей ячейки памяти с генерацией раздельных векторов сброса. Кроме того, предпринят ряд схемотехнических мер по повышению устойчивости работы в условиях импульсных помех по цепям питания.

Модули формирования тактовой частоты и аналого-цифрового преобразователя имеют изолированные выводы для подключения источников питания, модуль последовательного интерфейса SPI снабжен дополнительным общим выводом сигнала синхронизации приема/передачи.

Библиотека периферийных устройств МК MC68HC908GP32 включает следующие типы модулей:

? параллельные порты ввода/вывода с возможностью индивидуальной настройки направления передачи каждой линии;

? многорежимные таймеры с подсистемами входного захвата, выходного сравнения и 16-разрядной ШИМ. Таймеры периодических прерываний;

? контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (SCI, SPI, CAN, USB);

? контроллер прямого доступа к памяти (только в одной модели);

? многоканальный АЦП;

? контроллер ШИМ-модулятора для управления преобразователями частоты электропривода;

? контроллер жидко-кристаллического индикатора (ЖКИ).

МК MC68HC908GP32 имеет две группы исполнения по напряжению питания. К первой группе относятся МК с напряжением питания 5В 10 %. Вторая группа - МК с пониженным напряжением питания от 3В ± 10 % до 5В ± 10 %, что позволяет им работать в составе переносных устройств с батарейным питанием. Максимальное значение частоты внутренней шины составляет F_bus = 8,0 МГц для кристаллов с напряжением питания 5,0 В и F_bus = 4,0 МГц для красталлов с напряжением питания 3,0 В.

Периферийные модули МК MC68HC908GP32. МК MC68HC908GP32 выполнен на основе модульной технологии. Библиотека модулей семейства включает не только модули периферийных устройств, но и системные модули, в функции которых входит управление различными режимами работы МК.

Двоичный счетчик модуля таймера имеет возможность программного управления временной базой при помощи функций останова и сброса, счетчик может тактироваться внутренним генератором с программируемым делителем частоты:

, (126)

где К_tim = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64.

Модуль связного коммуникационного интерфейса SCI08 обеспечивает стандартный асинхронный формат приема/передачи данных с одним стартовым и одним стоповым битом и длиной информационного слова в 8 или 9 бит. Частота обмена программируется в соответствии с формулой:

, (127)

где K1_sci = 1, 3, 4, 13; K1_sci = 2ⁿ, n =0...7.

Модуль SPI08 обладает следующими характеристиками:

? Поддерживает два режима работы: ведущего (master) и ведомого (slave) приемопередатчиков.

? Позволяет программно настраивать частоту обмена, причем в формировании сетки частот модули таймеров TIM и PIT не задействованы;

, (128)

где K_spi = 2, 8, 32, 128.

Подключение системы датчиков. При подключении датчиков к контроллеру напряжение на входе АЦП меняется от 0 до Vcc. Датчики подключены к входу AD0-AD7 (PORTB) АЦП. На рис. 35 изображено подключение датчиков к магистрали.

В состав модуля АЦП входят:

? Восьмиканальный аналоговый мультиплексор.

? Блок последовательного приближения.

? 8-битовый входной блок.

? Блок одновременного или постоянного преобразования.

? Регистр флагов, отображающий состояние окончания оцифровки и влаг прерывания по готовности АЦП.

Устройства выбора канала. Входные сигналы АЦП подаются на пины порта B (PTB0-PTB7 /AD0-AD7). Аналоговый мультиплексор подключает все пины на вход АЦП, коммутируя входное напряжение (V_ADIN) на линию оцифровки. Над входным напряжение V_ADIN производится операция оцифровки методом последовательного приближения. Когда процесс оцифровки завершен, АЦП сохраняет результаты преобразования в регистре данных АЦП и выставляет флаг готовности АЦП или генерирует прерывание по готовности. Как указывалось выше, для входных линий АЦП используются входы порта B (PTB0-PTB7 /AD0-AD7). Выбор канала ввода (номера пина порта) осуществляется программно. При работе отдельных линий порта в качестве источников аналоговых сигналов незадействованные линии могут быть использованы в обычном режиме ввода/вывода. Попытка записи информации или перенастройки пинов работающих в режиме АЦП не даст никаких результатов. При считывании с этих пинов в режиме работы АЦП считывается 0.

При подаче высокого уровня напряжения (V_REFH) на вход АЦП результатом будет являться число $FF - (максимум). При подаче низкого напряжения V_REFL - $00 (минимум).

Входы аналогового (V_DDAD) и цифрового (V_DD) напряжений питания соединены, так как и аналоговая (V_SSAD) и цифровая (V_SS) земля.

Преобразование начинается после записи ADSCR. Одно преобразование длится 16, 17 циклов опорной частоты преобразователя. Биты ADIVx и ADICLK настраивают эту частоту.

В режиме постоянной оцифровки данные, полученные в результате преобразования, регулярно заносятся в регистр данных АЦП. Если данные не были предварительно считаны из регистра, то они будут безвозвратно утеряны.

Оцифровка продолжается все время, пока установлен бит ADCO. Бит готовности АЦП COCO устанавливается по окончании оцифровки, и будет находиться в высоком уровне до тех пор, пока данные из регистра данных АЦП не будут считаны или не произойдет программная перезапись этого бита в регистре флагов.

Режим однократного преобразования запускается при установке ADSCR. После записи ADSCR произойдет только одно преобразование.

При установленном бите AIEN вызывается прерывание по готовности АЦП (завершение оцифровки). Прерывание генерируется, если бит COCO находится в состоянии 0. Бит COCO не используется, если разрешены прерывания по готовности АЦП.

В режиме Wait АЦП активно и прерывание по готовности АЦП выводит микроконтроллер из этого режима. В режиме Stop АЦП отключено и не выполняет никаких действий.

В состав регистров управления АЦП входят:

? Регистр управления и статуса АЦП (ADSCR), рис. 36.

? Регистр данных АЦП (ADR), рис. 37.

? Регистр задания частоты оцифровки (ADCLK), рис. 38.

Пять полей регистра ADCH4-ADCH0 определяют код одного из 16 каналов оцифровки. Однако в HC08GP32 доступны только 8 каналов, подключенных к AD7-AD0, таблица 4.

Таблица 4

Выбор канала оцифровки

Необходимо убедиться, что используемый в качестве источника аналогового сигнала пин порта не подключен к цифровым схемам, поскольку в этом случае возможно искажение аналогового сигнала.

Регистр данных АЦП содержит цифровой код, полученный в результате последней оцифровки.

Формат регистра задания частоты оцифровки изображен на рис. 38.

ADIV2-ADIV0 - биты задания коэффициента предварительного делителя частоты. В таблице 10 отображены возможные коэффициенты. Опорная частота АЦП должна быть примерно равной 1 МГц ADICLK - бит выбора источника опорной частоты АЦП. Сигнал Reset сбрасывает этот бит.

1 = Внутренний источник частоты.

0 = Внешний источник (CGMXCLK).

Согласующее устройство. На основании поставленных задач предлагается следующая структура системы оптимального управления. Общая структурная схема приведена на рис. 39 .

Согласующим устройством между микроконтроллером и подмагничивающей катушкой является цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, обеспечивающий связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, не одновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.

Таблица 5

Возможные коэффициенты опорной частоты АЦП

При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств, поэтому во многих ЦАП, сколько-нибудь существенная цифровая часть отсутствует. Если же ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.

Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 40 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, цифро-аналоговые преобразователи классифицируются по следующим признакам:

? По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

? По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

? По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

? По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

В МПСУ подмагничивающей цепью РУТ необходим ЦАП с шагом преобразования цифровой информации 0.1 В. При таком шаге преобразования разрабатываемый ЦАП будет иметь 8 разрядов для изменения напряжения от 0 В до +24 В и один разряд знака полярности напряжения.

Основные параметры ЦАП. Точность преобразования и качество работы ЦАП характеризуют следующие параметры: относительная разрешающая способность, абсолютная разрешающая способность, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность, скорость преобразования (время одного преобразования) и максимальная частота преобразования.

Относительная разрешающая способность. Относительная разрешающая способность ? это обратная величина от максимального числа уровней квантования.

, (129)

здесь n ? соответствует числу разрядных входов ЦАП.

Абсолютная разрешающая способность:

, (130)

где U_пш ? напряжение полной шкалы, соответствующее опорному напряжению ЦАП. Это напряжение можно считать равным максимальному выходному напряжению; 2ⁿ ? 1 = N ? количество ступеней квантования.

Абсолютная погрешность преобразования _пш показывает максимальное отклонение выходного напряжения U_вых в точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы (рис. 40). Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.

Нелинейность преобразования ЦАП _лн определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной (рис. 41) и оценивается также в процентах или в единицах младшего значащего разряда.

...