Приведена структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом испытаний и исследований быстродействующих предохранителей на базе микроконтроллера Atmega16, разработаны алгоритм работы схемы и алгоритм расчета их защитных и интегральных характеристик

Вишневский, А. Е.

Грищук, Юрий Степанович

Electronic National Technical University &quot;Kharkiv Polytechnic Institute&quot; Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

 21 УДК 621.316.925  Ю.С. ГРИЩУК, канд. техн. наук, проф., А.Е. ВИШНЕВСКИЙ, магистр  ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ АТMEGA ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ  Наведено структурну схему автоматизованої системи керування технологічним про-цесом випробувань і досліджень швидкодіючих запобіжників на базі мікроконтролера Atmega16, розроблені алгоритм роботи схеми й алгоритм розрахунку їх захисних і інтегральних характеристик.  Приведена структурная схема автоматизированной системы управления технологиче-ским процессом испытаний и исследований быстродействующих предохранителей на базе микроконтроллера Atmega16, разработаны алгоритм работы схемы и алгоритм расчета их защитных и интегральных характеристик.  Введение. Для проведения коммутационных исследований на постоян-ном токе таких электрических аппаратов, как быстродействующие предохра-нители (БП), используются экспериментальные установки, которые включа-ют в себя главную цепь и цепь управления. Схемы таких установок представ-лены в [1, 2]. Главную цепь установки составляют ударный генератор (УГ) (Uн=880 В, Iуд=70 кА), вращаемый асинхронным двигателем, регулируемые реакторы L, регулируемое сопротивление Rа, защитный выключатель (ЗВ), включающий аппарат (ВА), макет аппарата (МА). При исследовании кратковременных процессов горения дуги в БП (от 0,5 до 10 мс) для того, чтобы обеспечить регистрацию возможных острых пиков перенапряжения, для записи кривых тока и напряжения при отключе-нии тока короткого замыкания БП, обычно используют электромеханический или электронный осциллографы и осуществляют фотографирование с помо-щью фотоприставки. Все это требует проведения графической обработки осциллограмм и приводит к дополнительным материальным, временным и трудовым затратам. Сократить сроки проведения коммутационных исследований, повысить точность измерений, снизить их стоимость можно, применив автоматизиро-ванную систему управления технологическим процессом исследований (АСУ ТПИ) с применением микроконтроллера (МК) [2-4]. Целью данной статьи является разработка структурной схемы АСУ ТПИ, а также алгоритма управления стендом испытаний или исследований быстродействующих предохранителей на постоянном токе и алгоритма про-граммы для определения их защитных и интегральных характеристик при  22 четырех контролируемых параметрах (датчиках), в том числе: ток; напряже-ние; температура в центре плавкого элемента; температура на выводах. Дли-тельность процесса коммутации при отключении тока короткого замыкания БП составляет от 0,1 до 10 мс. Для решения этой задачи был проведен обзор и анализ схем АСУ ТПИ, лабораторных стендов и применяемых в них микроконтроллеров [1-4]. Изло-женные в [2-4] схемы АСУ ТПИ, выполненные на базе МК-51 и МК-251, имеют ряд недостатков. Для их создания, кроме МК, требуется целый ряд отдельных элементов, таких как АЦП, аналоговые коммутаторы, источники опорного напряжения и др., которые необходимо выбрать и смонтировать в одном блоке. Все это приводит к увеличению материальных, временных и финансовых затрат на ее разработку, монтаж, наладку и эксплуатацию. Анализ условий задачи, поставленной в данной работе, схем АСУ ТПИ и характеристик существующих микроконтроллеров показывает, что для ее решения целесообразно выбрать высокоинтегрированный МК Atmega16. Вы-бор микроконтроллера осуществлялся по следующим характеристикам: бы-стродействие, надежность, помехоустойчивость, наличие необходимых пе-риферийных устройств, энергопотребление, стоимость и др. МК семейства Mega являются 8-ми разрядными, предназначенными для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISС архи-тектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродейст-вие/энергопотребление. В состав МК Atmega16 входят: два 8-разрядные таймеры/счетчики (таймеры Т0 и Т2); 16-разрядные таймеры/счетчики (тай-меры Т1 и Т3); сторожевой таймер WDT; аналоговый компаратор; многока-нальный 10-разрядный АЦП, как с несимметричными, так и с дифференци-альными входами; полнодуплексный универсальный асинхронный прием-ник-передатчик (UART); полнодуплексный универсальный синхрон-ный/асинхронный приемник-передатчик (USART); последовательный син-хронный интерфейс SPI; аналоговый коммутатор и другие устройства. Более полное описание МК Atmega16 изложено в [6]. Предложенная структурная схема АСУ ТПИ, выполненная на базе МК Atmega16 (рис. 1), включает в себя: датчики контролируемых параметров (тока, напряжения, температуры плавкого элемента и выводов) Д1-Д4; нор-мирующие усилители У1-У4; МК (содержащий используемые в данной схеме следующие элементы: генератор тактовых сигналов, память команд, ОЗУ, аналоговый коммутатор, АЦП, источник опорного напряжения UREF, встро-енные 4 порта и последовательный канал связи RS232С); компараторы К1–К4 типа К554 СА3, выходы которых по «ИЛИ» объединены с выходными управляющими сигналами МК; устройства согласования и обмена УСО1-УСО4, которые включают исполнительные устройства силовой установки, задающие режим испытаний или исследований; компьютер РС. При исследо-вании процессов длительностью меньше 0,1 мс в схеме используется внеш- 23 ний АЦП. Подключенные к объекту датчики соответствующих контролируемых параметров Д1-Д4, являются преобразователями тока, напряжения, темпера-туры в напряжение. Нормирующие усилители согласуют выходное напряже-ние датчиков с требуемым входным сигналом АЦП 0-2,5 В и обеспечивают низкое выходное сопротивление. АЦП является быстродействующим много-канальным десятиразрядным преобразователем входного напряжения в па-раллельный двоичный код. Запуск преобразователя производится микрокон-троллером, окончание преобразования вызывает сигнал готовности, который является командой для считывания данных. Через последовательный интер-фейс RS232С АСУТПИ данные поступают в компьютер, который может из-менять режимы испытаний или исследований, а также принимать, запоми-нать, обрабатывать, отображать и документировать результаты исследова-ний.    УСО1 УСО2 УСО3 УСО4 1 UREF1 1 К1 К2 К4 1 КОНТРОЛЛЕР АНАЛОГОВЫЙ КОММУТАТОР У1 У3 У4 Д1 Д2 Д3 Д4 ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ Запуск от ПУКод датчика Управление Интерфейс RS-232 C РС UREF U1 U2 U3 U4 UREF UREF UREF UREF PA.0            PA.1          PA.3            PA.4 АТmega16 У2 АЦП К3 R1 R2 R3 R4  Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом исследований электрических аппаратов  Алгоритм работы схемы АСУ ТПИ приведен на рис. 2. Он обеспечивает опрос датчиков и передачу информации в РС. В начале алгоритма произво-дится установка исходного состояния всех управляющих сигналов. В глав-ном цикле алгоритма (2-16) производится программирование портов, вклю-чение аналогового коммутатора, устанавливается счетчик параметров. Во внутреннем цикле происходит запуск АЦП и считывание кода (8-13), с по- 24 следующим вычислением параметра (14). Затем происходит настройка связи с PC (17), и передача массива полученных данных в РС. В случае, когда P > Pдоп, контроллер выдает сигналы на логические элементы «ИЛИ», связанные с УСО1-УСО4, которые обеспечивают управление объектом исследований. Кроме того, при возникновении аварийной ситуации (P > Pдоп) и выходе кон-троллера из строя, сигнал идет с усилителей на компараторы К1-К4 и после сравнения с U1-U4 подается на элементы «ИЛИ», которые в свою очередь, выдают на УСО1-УСО4 импульсы для отключения всей установки.     НАЧАЛО ПРИВЕДЕНИЕ В ИСХ. СОСТОЯНИЕ ОБНУЛЕНИЕ СЧЕТ- ЧИКА НОМЕРА ДАТ-ЧИКА ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДАТЧИКА Д1 ЗАДЕРЖКА Dt1 ВКЛЮЧЕНИЕ АНАЛОГОВОГО КОММУТАТОРА ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В PC ВЫКЛЮЧЕНИЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ N=4 ОЖИДАНИЕ ПУСКА НЕТ ПРОГРАММИРОВА-НИЕ ПОРТОВ НА ПРИЕМ.ПЕРЕДАЧУ ЗАПУСК АЦП СЧИТЫВАНИЕ КОДА АЦП СНЯТИЕ ЗАПУСКА АЦП ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРА ГОТОВНОСТЬ P > Pдоп ИНКРЕМЕНТ СЧЕТЧИКА ПАРАМЕТРА ВЫДАЧА АВАР. СИ-ГНАЛА В IBM PC НЕТ КОНЕЦ ДА ОЖИДАНИЕ СИГНАЛА ГОТОВНОСТИ ДЛЯ СЧИ-ТЫВАНИЯ ДАННЫХ  1  4  17  15  2  3  5  6  7  18  19  8  9  11  12  10  16  14  13 ДА НЕТ ДА  Рис. 2. Алгоритм работы схемы автоматизированной системы управления технологи-ческим процессом исследований быстродействующих предохранителей  В качестве компараторов К1-К4 выбираем широко используемые инте-гральные схемы КР554СА3 с открытым коллектором, что облегчает стыковку с логическими уровнями МК и цифровых интегральных схем. Установка опорных напряжений U1-U4 осуществляется резисторами R1-R4. При этом используется внутренний источник опорного напряжения UREF микросхемы МК Atmega16. При аварии МК переходит в режим прерывания, выполнение основной программы приостанавливается и МК выдает сообщение об ава-рийной ситуации в РС (15).  25    НАЧАЛО ОТКРЫТИЕ ФАЙЛА ДАННЫХ НА ЧТЕ-НИЕ  РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ Wпл, Wг, Wд РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ Eд, Uср ВЫВОД РЕЗУЛЬТА-ТОВ НА ЭКРАН СЧИТЫВАНИЕ ИЗ ФАЙЛА ЗНАЧЕНИЙ i, u, t КОНЕЦ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНА-ЧЕНИЙ Iпл, Imax, Umax РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ tпл, tг, tо  1  2  3  4  5  6  7  Рис. 3. Алгоритм программы обра-ботки данных, полученных в результате иссле-дований БП После передачи данных в компьютер (17), они обра-батываются в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 3, по методике, изложенной в [5]. Значения дан-ных, полученные при исследованиях БП, считываются из файла данных (1-2 (рис. 3)). После чего, по формулам, приведенным в [5] рассчитываются ток плавления, макси-мальные значения тока к.з. и напряжения, времена плавле-ния перешейка, горения дуги и отключения тока к.з., инте-гралы плавления, горения и Джоулев интеграл, а также значения энергии дуги и среднеинтегрального напряжения на дуге (3-6). Результаты расчетов выводятся на экран (7 (рис. 3)). Выводы. Разработанная схема АСУ ТПИ и приве-денные алгоритмы позволяют многократно сократить сро-ки проведения исследований быстродействующих предо-хранителей, повысить их экономическую эффективность и достоверность результатов исследований, а также могут использоваться при проведении испытаний или исследо-ваний других коммутационных электрических аппаратов и устройств электробытовой техники.  Список литературы: 1. Петинов О.В., Щербаков Е.Ф. Испытания электрических аппаратов. – М.: Высш. школа, 1985.–215 с. 2. Грищук Ю.С., Ржевский А.Н., Грищук С.Ю. Автоматизированная система управления для коммутационных исследований и испытаний электрических аппаратов. // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. трудов. Вып. 17. – Харьков: НТУ “ХПИ”. 2001. – С. 48-50. 3. Грищук Ю.С., Кузнецов А.И., Ржев-ский А.Н., Грищук С.Ю. Применение микроконтроллеров в схемах автоматизирован-ного управления испытаниями электрических аппаратов. // Вісник НТУ «ХПІ». Зб. наук. праць. – Харків: НТУ «ХПІ», 2005. – Вип. 35 – С. 63-68. 4. Микропроцессорные устройства: Учебное пособие. / Грищук Ю.С. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. – 280 с. 5. Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу "Основи математичної статистики та планування експерименту". Частина 2. "Основи математичної статистики" для сту-дентів спеціальності 092206-02 "Електричні машини і апарати" усіх форм навчання / Уклад. Ю.С. Грищук. – Харків: НТУ "ХПІ", 2001. – 30 с. 6. Евстифеев А.В. Микроко-нтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы "Atmel" – М.: Издательский дом "Додэ-ка XXI", 2004. – 560 с.   Поступила в редколлегию 30.11.07 

Применение микроконтроллеров Аtmega при испытаниях и исследованиях электрических аппаратов

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/32514/1/vestnik_KhPI_2008_7_Grishchuk_Primenenie.pdf

Применение микроконтроллеров Аtmega при испытаниях и исследованиях электрических аппаратов

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Применение микроконтроллеров Аtmega при испытаниях и исследованиях электрических аппаратов

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic National Technical University &quot;Kharkiv Polytechnic Institute&quot; Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Institutional Repository (eNTUKhPIIR)