Способ моделирования преобразовательных устройств с цифровой системой управления

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Способ моделирования преобразовательных устройств с цифровой системой управления

Найдёнов Е.В., Пеньков А.А.

Аннотация

Филиал ФГБОУВПО

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

в г. Смоленске

Поступила в редакцию 21.11.2012.

В работе изложен способ моделирования преобразовательных устройств с цифровой системой управления на основе интеграции математических и схемотехнических САПР. Предлагаемый способ позволяет решить одну из важных задач при проектировании преобразовательных устройств на основе новой элементной базы - создание библиотек моделей ЦСУ. На основе данного способа моделирования преобразовательных устройств с цифровой системой управления разработан универсальный алгоритм, который позволяет построить модели различной сложности в среде Matlab&Simulink + OrCAD.

Ключевые слова: цифровые системы управления (ЦСУ), интеграция САПР, преобразовательные устройства.

Annotatіon

Way to model the converter devices with digital control system

Naydyonov E. V., Penkov A. A.

The paper presents a method for simulating converter devices with digital control system based on the integration of mathematical and circuit CAD. The proposed method allows to solve one of the important problems in the design of converter devices based on the new hardware components - the creation of libraries of models of the CSO. Based on this modeling method converting devices with digital control system developed a universal algorithm which allows to build models of varying complexity in the environment Matlab & Simulink + OrCAD.

Key words: digital control system (DCS), the integration of CAD, transtional unit.

Появление на мировом рынке микросхем, специализированных для цифрового управления преобразовательными устройствами, является важным событием в развитии современной электроники. Системы управления импульсными источниками питания, построенные на основе цифровой схемотехники, позволяют использовать сложные и оригинальные алгоритмы управления, которые имеют существенные преимущества перед традиционными аналоговыми решениями [1]. В частности, удалось улучшить динамические характеристики устройства, сократить массогабаритные параметры преобразователей, повысить КПД. В настоящее время цифровые системы управления (ЦСУ) активно используются как при проектировании новых устройств, так и позволяют совершенствовать уже существующие преобразователи. Однако важной проблемой при разработке современных ЦСУ остаётся задача моделирования и отладка алгоритма их работы.

На сегодняшний день, в библиотеках элементов популярных систем автоматического проектирования (САПР) не имеется моделей специализированных ИС, необходимых для освоения новой элементной базы. Исключение составляют САПР фирм-производителей, но их возможности весьма ограничены. Такие системы часто носят исключительно демонстрационный характер и не позволяют добавлять элементы силовой электроники для построения законченных моделей преобразователей, например, приложение ADP+ фирмы Analog Devices.

Замеченное отставание компонентной базы популярных САПР от текущего выпуска специализированных микросхем, в том числе ежегодное обновление существующих семейств и появление новых моделей, определяет задачу поиска альтернативного способа моделирования ЦСУ на их основе. Перспективным решением является способ на основе интеграции математических и схемотехнических САПР. Обоснованием такого выбора стало сравнение возможностей разных классов САПР, которое представлено в таблице 1. цифровой программный библиотека микросхема

Таблица 1 Сравнение САПР для моделирования ЦСУ

На основании полученных данных было предложено создать универсальную среду разработки преобразовательных устройств на основе ЦСУ, которая бы включала в себя возможности математического анализа процессов цифрового управления на базе системы компьютерной математики и отладку силовой части устройства средствами схемотехнических САПР. Предложенный способ интеграции представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Способ интеграции математических и схемотехнических САПР

Средой для разработки ЦСУ был выбран пакет компьютерной математики Matlab+Simulink. Система функционального моделирования Simulink позволяет исследовать алгоритм работы ЦСУ, получить код для последующей программной и аппаратной реализации. Впоследствии на основе полученной модели строится схема преобразователя. Средой для разработки силовой части схемотехнической САПР выбран пакет профессионального проектирования Cadence OrCAD. Интеграция указанных САПР осуществляется в среде PSpice SLPS, анализ переходных процессов проводится в каждом САПР самостоятельно. В завершении, отлаженная модель силовой части моделируемого преобразователя загружается в среду Matlab, путём преобразования принципиальной схемы из OrCAD в математическую модель Simulink. Отладка работы конечной модели преобразователя с ЦСУ будет приводиться в среде Simulink. Модель преобразователя построенного на предложенном способе интеграции представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Пример интеграции САПР при помощи среды PSpice SLPS

Рассматриваемый способ предполагает создание универсального алгоритма проектирования моделей преобразовательных устройств на основе ЦСУ, подходящего для любой разновидности рассматриваемой элементной базы: специализированных ИС с жёстко заданным алгоритмом управления, цифровых сигнальных микроконтроллеров (ЦСМК), а также цифроаналоговых программируемых логических интегральных схем (ЦАПЛИС) [2]. Выбор в качестве основы ЦСУ определённого типа ИС зависит от областей применения преобразователя и сложности задач, выполняемых микросхемой. Краткое сравнение особенностей элементной базы ИС ЦСУ представлена в таблице 2.

Таблица 2 Элементная база ИС ЦСУ

Рассмотрим вариант реализации алгоритма для каждого типа элементной базы для создания модели источника питания (ИП).

При использовании в качестве ЦСУ специализированных ИС с жёстко заданным алгоритмом управления, требования к проектированию модели цифровой части ИП заметно упрощаются. В данном случае, нет необходимости в программировании цифровой части модели, поскольку её возможности ограничивает узкий класс применения (см. табл. 2) Предложенный алгоритм создания моделей ИП на основе специализированных ИС с жёстко заданным алгоритмом управления представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 Алгоритм построения модели ИП с ЦУП на основе специализированной ИС

Проектирование модели ЦСУ на основе ЦСМК и ЦАПЛИС связано с использованием программирования конечной модели устройства [3]. Такой подход позволяет использовать уникальные алгоритмы управления, формируемые самим пользователем. Основой алгоритма является рассмотренный ранее метод создания моделей для ИС с жёстко заданным алгоритмом управления, однако имеет некоторые существенные отличия. Благодаря интеграции в состав пакета Matlab+Simulink специализированных пакетов расширений, разрабатываемых самим производителем, процесс проектирования моделей может быть упрощён. Так, в настоящий момент доступны пакеты расширения для создания компонентной базы ЦСМК и ЦАПЛИС от ряда известных фирм, среди которых Actel Simphony, Xilinx ISE, Microchip MPLAB IDE. Кроме того ряд популярных производителей поставляет специализированные загрузчики программного кода, которые также могут быть использованы в качестве альтернативы представленным средствам среды Simulink. Загружаемые элементы позволяют с большей точностью воспроизвести проектируемые модели микросхем для построения ЦСУ преобразовательных устройств.

Алгоритм создания моделей ИП на основе ЦАПЛИС представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 Алгоритм построения модели ИП с ЦУП на основе ЦАПЛИС

Простота рассмотренного способа позволяет решить одну из важных задач при моделировании новых преобразовательных устройств - создание библиотек моделей ЦСУ. Предложенный алгоритм интеграции САПР универсален и подходит для любого типа устройств рассмотренной элементной базы. Таким образом, созданная основа проектирования преобразовательных устройств с ЦСУ позволяет активно внедрить цифровые технологии в силовой электронике уже сегодня.

Литература

1. Найдёнов Е. В. Разработка цифровых систем управления источниками питания // XVIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Том 1. Москва 2012, с. 249

2. Найдёнов Е. В., Пеньков А. А., Исследование архитектур современных микросхем цифрового управления электропитанием // Девятая межрегиональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Информационные технологии, Энергетика и Экономика. Смоленск, 2012, с. 199-204.

3. Найдёнов Е. В., Пеньков А. А., Исследование архитектур современных цифровых сигнальных микроконтроллеров для систем цифрового управления электропитанием // Компьютерные технологии и информационные системы. Выпуск 25. Сборник научных трудов. ВА ВПВО ВС РФ. Смоленск, 2012, с. 201-205.

Размещено на Allbest.ru