Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ датчика тока как объекта автоматизированного проектирования 14
1.1. Системный анализ датчика тока как объекта проектирования 14
1.1.1. Назначение и классификация датчиков тока 14
1.1.2. Основные параметры и характеристики 22
1.2. Общий подход к проектированию датчиков тока как сложных систем 24
1.2.1. Структура процесса проектирования датчиков тока 24
1.2.2. Информационное взаимодействие этапов проектирования 32
1.2.3. Итерационность и ветвление процесса проектирования 40
1.3. Анализ современных средств САПР для проектирования датчиков тока 43
1.3.1. Инструментальные средства структурного синтеза 44
1.3.2. Инструментальные средства проектирования принципиальных электрических схем 46
1.3.3. Инструментальные средства проектирования магнитной системы датчика тока 55
1.3.4. Инструментальные средства конструирования датчиков тока 59
1.4. Результаты и выводы 67
Глава 2. Разработка бесконтактных микропроцессорных датчиков большого тока 69
2.1. Разработка структурных схем датчиков тока с использованием микропроцессорной техники 69
2.1.1. Анализ структурных схем датчиков тока как микропроцессорных измерительных устройств 69
2.1.2. Обобщающая структурная схема датчика как аппаратно-программный комплекс 77
2.2. Разработка аппаратных и алгоритмических средств компенсации температурной погрешности в микропроцессорных датчиках тока 87
2.2.1. Анализ причин возникновения температурных погрешностей датчиков тока 87
2.2.2. Анализ известных средств компенсации 87
2.2.3. Разработка способов компенсации температурной погрешности 88
2.2.4. Результаты моделирования 96
2.3. Разработка и исследование источников питания микропроцессорных датчиков тока 103
2.3.1. Постановка проблемы питания датчиков тока 103
2.3.2. Классификация и анализ методов питания датчиков тока 104
2.3.3. Разработка источника питания датчиков тока 109
2.3.4. Моделирование источников питания 119
2.4. Результаты и выводы 126
Глава 3. Математическое обеспечение автоматизированного проектирования и моделирования датчиков 127
3.1. Моделирование датчика тока, как сложного микропроцессорного устройства 127
3.1.1. Место моделирования в процессе проектирования современных измерительных устройств 127
3.1.2. Особенности моделирования измерительных устройств 128
3.1.3. Покрытие моделями датчика тока 130
3.1.4. Обоснование выбора элементов для моделирования датчиков тока 134
3.2. Методика построения математических моделей чувствительных элементов 137
3.2.1. Анализ чувствительных элементов как объектов моделирования 137
3.2.2. Классификация моделей чувствительных элементов 140
3.2.3. Методика построения моделей чувствительных элементов 142
3.2.4. Результаты использования методики 151
3.3. Устранение проблем сходимости при моделировании элементов датчиков тока .* 171
3.3.1. Анализ проблемы сходимости расчетов 171
3.3.2. Средства улучшения сходимости вычислений 180
3.3.3. Методика устранения причин несходимости 182
3.4. Результаты и выводы 187
Глава 4. Автоматизация проектирования датчиков тока 188
4.1. Разработка процесса автоматизированного проектирования датчика тока 188
4.1.1. Классификация задач синтеза 188
4.1.2. Определение степени автоматизации этапов проектирования датчиков тока 192
4.1.3. Постановка задач автоматизации проектирования 194
4.1.4. Основные элементы САПР датчиков тока 196
4.1.5. Структурная схема расчетного блока САПР датчиков тока 198
4.2. Реализация процесса автоматизированного проектирования датчиков тока 200
4.2.1. Разработка процесса и выбор средств автоматизированного проектирования 200
4.2.2. Разработка алгоритмических и программных средств автоматизированного проектирования датчиков 206
4.2.3. Описание программы MeCAD и работа с ней 217
4.3. Разработка датчика тока с использованием разработанных средств автоматизации проектирования 223
4.4. Результаты и выводы 239
Заключение 240
Список литературы 244
Приложение 1. Экранные формы программы MeCAD при разработке технического задания 253
Приложение 2. Экранные формы программы MeCAD при разработке магнитной системы датчика тока 258
- Структура процесса проектирования датчиков тока
- Разработка способов компенсации температурной погрешности
- Методика построения моделей чувствительных элементов
- Описание программы MeCAD и работа с ней
Введение к работе
Актуальность работы. Современные датчики электрических величин (ДЭВ) представляет собой сложную систему разнородных компонентов - аналоговых и цифровых электронных схем, алгоритмов измерения, конструктивных элементов. Все чаще в первичные измерительные преобразователи встраиваются микропроцессорные (МП) компоненты, позволяющие за счет математической обработки измерительной информации непосредственно в процессе измерения и благодаря активному управлению процессом измерения значительно повысить точность. ДЭВ при этом могут оценивать достоверность измерительной информации, адаптировать алгоритмы измерения и обработки данных при изменении внешних условий, проводить самотестирование, сжимать и кодировать данные для хранения и передачи в информационно-измерительную систему (ИИС).
Такая тенденция «интеллектуализации» ДЭВ приводит к тому, что процесс проектирования датчиков является чрезвычайно сложным, носит системный характер и невозможен без использования средств автоматизации. В то же время микропроцессорные ДЭВ как объекты проектирования имеют особенности, затрудняющие развитие и применение средств автоматизированного проектирования:
возможность реконфигурируемости структуры для оптимальной реализации математических операций и обработки результатов измерения;
большое количество и разнообразие принципов физической реализации отдельных частей датчиков;
измерительный канал датчиков строится на базе аппаратных средств и функционирует под управлением МП ядра по разнообразным алгоритмам;
необходимость выполнения в процессе проектирования большого числа трудно формализуемых операций.
Особенности ДЭВ как объектов проектирования сегодня предопределили ситуацию, когда проектирование измерительно-вычислительных комплексов и ИИС (как объектов полностью состоящих из типовых, унифицированных узлов сопрягаемых стандартными способами) проще, чем проектирование датчиков. Разработка датчиков электрических величин во многом индивидуальна, трудно поддается формализации, и лишь для выполнения отдельных этапов могут использоваться известные средства САПР.
Таким образом, прогресс в области рационального проектирования ДЭВ напрямую связан с развитием теории и практики систем автоматизации проектирования. Широко известны работы Стопшя Б.С., Кириленко А.В., Пуйло Г.В., Рогозы В.В., Цветкова Э.И., Аветисяна Д.А., Петриченко P.M., Каделя В.И. В них рассматриваются разные аспекты автоматизации проектирования ДЭВ.
Основой для создания средств САПР автоматизации индивидуального проектирования ДЭВ предлагается подход, когда датчик рассматривается в виде, так называемого, аппаратно-программного комплекса, что позволяет выделять функции присущие каждой из его частей, формализовать и унифицировать
проектные процедуры, относящиеся к разработке отдельных составляющих такого комплекса, учитывать их взаимное влияние.
Целью диссертационной работы является разработка средств САПР, которые бы позволили максимально выполнять в автоматическом режиме индивидуальное проектирование датчиков электрических величин, с учетом особенностей используемых микропроцессорных средств, оценивать проектные решения и управлять ходом проектирования. Эта цель достигается решением следующих основных задач.
-
Проведение системного анализа ДЭВ, как объектов проектирования, оценка пригодности существующих средств САПР для их проектирования.
-
Разработка общего подхода к автоматизированному проектированию ДЭВ как сложных микропроцессорных систем.
-
Разработка обобщенной структурной схемы МП ДЭВ, анализ особенностей функционирования и построения датчиков на основе МП техники.
-
Разработка математических моделей отдельных частей ДЭВ, ориентированных на использование в существующих САПР и методики создания таких моделей.
-
Анализ особенностей моделирования ДЭВ как сложных МП систем и разработка методов достижения корректного результата моделирования.
6 Разработка элементов САПР ДЭВ (структурной схемы САПР ДЭВ, схемы расчетного блока САПР ДЭВ, алгоритмических и программных средств автоматизированного проектирования ДЭВ).
7. Разработка методики автоматизированного проектирования датчиков.
Методы выполнения исследований. Работа выполнена с использованием методов математического моделирования и расчетов электрических цепей, обработки результатов измерений. Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждена результатами моделирования и опытных испытаний на макетах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
предложено рассматривать датчик электрических величин как аппаратно-программный комплекс, что позволяет автоматизировать проектирование датчиков, имеющих в своем составе МП вычислительные средства;
разработана методика построения математических моделей чувствительных элементов (ЧЭ) для использования в схемотехнических САПР, основанных на языке SPICE;
получены математические модели магниточувствительных элементов -преобразователя Холла, магниточувствительных интегральных микросхем;
разработана структурная схема САПР датчиков электрических величин и расчетный блок САПР;
разработано алгоритмическое обеспечение САПР, обеспечивающее автоматизацию следующих процедур - разработку расширенного технического задания, выбор способа измерения и питания, определение типа и числа ЧЭ, выбор формы и материала измерительного магнитного концентратора, выбор структурной схемы датчика, выбор МП и элементной базы, выбор канала связи.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
-
Полученные SPICE-модели магниточувствительных элементов могут использоваться в схемотехнических САПР для разработки и исследования бесконтактных датчиков тока и других устройств.
-
Разработанное программное обеспечение САПР датчиков тока (ДТ) позволяет: выбирать способ измерения, тип и количество чувствительных элементов, разрабатывать структурную схему ДТ, рассчитывать магнитную систему ДТ.
-
Разработан и исследован источник питания бесконтактных датчиков тока, находящихся под высоким потенциалом, отбирающий мощность от магнитного поля измеряемого тока, позволяющий обеспечивать функционирование датчиков при измеряемом токе не менее 20 А.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной НИР, проводимой кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы» Ульяновского государственного технического университета под руководством профессора В.А. Мишина. Разработанные программные средства используются в Ульяновском конструкторском бюро приборостроения и внедрены в учебный процесс УлГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались па конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1994), на конференции "Ресурсосберегающие технологии п машиностроении" (Рубцовск, 1994), на международной НТК "Непрерывно-логические и нейронные сети и модели" (Ульяновск, 1995), на всероссийской межвузовской НТК "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" (Чебоксары, 1996), на НТК с международным участием "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" (Ульяновск, 1996), на межвузовском семинаре "Автоматизация ТП и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем" (Самара, 1997), на ежегодных НТК Ульяновского государственного технического университета.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Представление датчиков электрических величин в виде аппаратно-
программных комплексов для проведения анализа, моделирования и проекти
рования.
-
Методика разработки математических моделей чувствительных элементов для использования в программах моделирования, основанных на языке SPICE.
-
Структурная схема САПР и расчетного блока САПР датчиков электрических величин.
4. Алгоритмические и программные средства САПР ДТ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том
числе 11 статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, 2 приложений, содержит 182 страницы машинописного текста, 92 рисунка и 19 таблиц.
Структура процесса проектирования датчиков тока
Проектирование сложных систем, в том числе и ДТ, представляет собой многоэтапный процесс (рис. 1.2). Этапы проектирования могут группироваться на общие стадии [60]: разработка технического задания (ТЗ), предварительное проектирование, эскизное проектирование, техническое проектирование. В дальнейшем осуществляется серийное изготовление, эксплуатация устройства. Для большинства стадий общим является проведение ряда процедур: синтез, создание абстрактной и физической моделей, анализ, принятие решений.
Автоматизация процесса проектирования осуществляется на основе моделирования на ЭВМ процессов, имитирующих в какой-то степени действия человека в процессе решения аналогичных задач. САПР позволяет заменить человека при выполнении различных этапов проектирования и предложить проектировщику механизм, обеспечивающий ускорение процедуры принятия решения.
Проектные процедуры, составляющие процесс проектирования ДТ, требуют разработку ряда алгоритмов:
- алгоритмы моделирования;
- алгоритмы построения моделей исследуемых устройств;
- алгоритмы расчета, позволяющие вычислить основные характеристики устройств;
- алгоритмы анализа, позволяющие оценить показатели качества ДТ;
- алгоритмы оптимизации, представляющие собой процедуры определения оптимальных по некоторому критерию решений;
- алгоритмы синтеза, обеспечивающие выбор из заданного множества решений некоторого подмножества, наилучшим образом отвечающего поставленным требованиям.
В [39] синтез измерительных преобразователей тока рассматривается как совокупность процедур, разделяемых на три этапа: формализация требований технического задания; структурный синтез; параметрический синтез. Такой подход оправдан при проектировании измерительных трансформаторов тока, которые состоят из небольшого числа элементов. На этапе структурного синтеза решается задача выбора структуры ДТ, на этапе параметрического синтеза -определение параметров структуры ДТ, наилучшим образом отвечающих требованиям ТЗ. Задача структурного синтеза, как наиболее сложная, жестко не формализуется и процесс синтеза носит итеративный диалоговый характер, в то время как процесс параметрического синтеза, хотя и носит итеративный характер, обычно реализуется по некоторому заранее определенному алгоритму.
В работе [39] процесс проектирования технических систем рассматривается как двухэтапный:
- обоснование исходных данных (технических условий, технического задания) для проектирования;
- осуществление проектных действий на основе исходных данных.
Первый этап называют внешним проектированием, а второй этап - внутренним проектированием.
Исходные данные обосновываются путем всестороннего рассмотрения условий работы устройства и требований, исходящих из условий эксплуатации. При этом решается одна из достаточно сложных задач - установление наименьшего набора основных показателей устройства, которые определяют его качество. Эти показатели называют внешними или выходными параметрами устройства.
Более полным является представление процесса проектирования в виде последовательности следующих этапов [62].
1. Внешнее проектирование - составление ТЗ.
2. Концептуальное проектирование - выбор метода и способа измерения, типа устройства обработки измерительной информации, способа питания.
3. Структурное проектирование.
4. Функциональное проектирование - разработка принципиальных электрических схем датчика и программного обеспечения МП.
5. Конструкторское проектирование - разработка отдельных элементов конструкции и корпуса датчика.
На состав и организацию этапов проектирования оказывают влияние особенности датчиков больших токов. Рассмотрим некоторые из них.
1. Широкий спектр физических явлений, которые можно использовать для измерения электрического тока - магнитооптические, электромагнитные, термомагнитные, магниторезонансные, электрометрические, электромеханические. Разработчику необходимо владеть большим объемом информации из разных областей физики.
2. Необходимость учета при проектировании характеристик и взаимного влияния объекта измерения, среды измерения и объекта проектирования (ОП). Проектирование датчиков для трехфазных сетей осложнено тем, что однозначное определение параметров поля системы проводов достаточно трудоемко. Надо также отметить, что токопроводы имеют разнообразную конструкцию и размеры, что делает практически невозможным предусмотреть все варианты магнитных систем ДТ.
3. Нелинейность процессов в магнитной системе и измерительном канале, сильная зависимость результатов измерений от внешних факторов (например, температуры) приводят к необходимости использовать дополнительную обработку измерительной информации, индивидуальную для каждого варианта датчика.
4. Влияние на точность измерения таких процессов, как старения магнитных материалов, изменения свойств магнитных материалов во время аварийных режимов работы электрической сети и возникновения значительных механических усилий в магнитных системах датчиков.
5. Многообразие чувствительных элементов определяет сложность выбора схемы обработки измерительной информации, выбора структура измерительного канала и выбора элементной базы.
6. Проведение экспериментальных исследований ДТ вследствие больших материальных затрат и отсутствия метрологически поверенных источников больших токов и средств их измерения крайне осложнено.
7. Основную погрешность (основная техническая характеристика ОП) с большой достоверностью можно определить только после завершения проектирования. Однако на ранних этапах проектирования ее также необходимо рассчитывать для анализа эффективности получаемых технических решений.
8. В случае построения датчика на основе индукционных или гальваномагнитных преобразователей при проектировании необходимо решать задачу разработки магнитной системы. Источник питания также содержит магнитную систему для отбора мощности от объекта измерения. Таким образом, в одном датчике присутствуют две магнитные системы, при проектировании которых необходимо учитывать различные требования.
9. Наличие встроенного в схему обработки измерительной информации МП определяет дополнительную составляющую погрешности, которую трудно оценить и учесть при разработке отдельных узлов ДТ.
С учетом перечисленных особенностей датчиков тока их проектирование должно представлять последовательность решения следующих задач.
1. Составление расширенного ТЗ.
2. Выбор способа и метода измерения тока.
3. Проектирование магнитной системы ДТ (измерительной и питания).
4. Проектирование электрической схемы ДТ.
5. Разработка программного обеспечения МП.
При проектировании ДТ разработчик выполняет ряд проектных процедур, состав которьгх определяется выбранным методом измерения тока, способом связи с вторичными устройствами и применяемым источником питания.
Разработка способов компенсации температурной погрешности
Анализ ДТ как МП измерительного устройства, проведенный выше, показал, что задача реализации и исследования способов и устройств компенсации температурных погрешностей ДТ успешно решается при определенном сочетании аппаратных и программных средств. Поэтому предлагается для рассмотрения подобных вопросов использовать обобщенную структурную схему МП ДТ в виде АПК.
Показания ПХ, выбранного в качестве ЧЭ, в большой степени зависят от температуры. Температура может меняться не только под воздействием окружающей среды, но и при нагревании магнитного концентратора и других элементов МС в процессе работы. При малой толщине преобразователь Холла в большой степени подвержен влиянию температуры. Кроме этого имеет место саморазогрев ПХ и связанные с ним термомагнитные явления, которые, как и предыдущем случае, оказывают влияние на уровень дополнительной температурной погрешности.
В работе [19] предложено вынести микроЭВМ из первичного измерительного устройства для уменьшения потребляемой мощности и упрощения схемы. При этом уменьшается возможность формирования и передачи достоверной измерительной информации от датчика к другим устройствам (измерения, контроля и управления). Причиной могут служить ошибки при передаче, приеме и обработке аналоговой информации.
В этом случае представляется логичным не производить компенсацию температурных погрешностей в самом датчике, а предоставить решение этой задачи микроЭВМ. Тогда необходимо измерять температуру в ДТ и полученную информацию наряду с измерительной информацией передавать к другим устройствам, где и будут приниматься меры по снижению температурных погрешностей. Структурная схема подобного устройства изображена на рис. 2.16.
Блок формирования выполняет две функции: кодирование двух информационных сигналов и их передача к вторичным частям устройства для обработки.
Передача информации от датчика (первичного измерительного преобразователя) к вторичному измерительному преобразователю может осуществляться различными способами: по радиоканалу (например, на частоте 433 МГц); по оптоволоконному кабелю; по инфракрасному каналу; по проводной линии; через объект измерения (высоковольтная линия с током).
Структурная схема устройства, реализующего описанный подход к построению датчиков, приведена на рисунке 2.17.
Был изготовлен и опробован макет устройства по схеме, изображенной на рисунке 2.17. Его энергопотребление составило приблизительно 0,1 Вт. Причем самым мощным потребителем являлся датчик Холла (10 мА). Электрическая схема потребляет менее 10 мА, и собственное потребление источника питания составило около 3 мА. Эти значения можно еще уменьшить, применив более современные схемотехнические решения и новейшую современную элементную базу.
Компенсация температурных погрешностей осуществляется не за счет введения в схему датчика одного термочувствительного элемента, а за счет введения узла измерения температуры. Более того, один или несколько термочувствительных элементов не могут полностью устранить влияния изменения температуры на результаты измерения. В противовес этому, микроЭВМ может корректировать измерительную информацию чисто программным путем. Для этого сигнал с преобразователя Холла, являющегося функцией одновременно измеряемого параметра и температурь!, подвергается математической обработке.
Зная вид аналитической зависимости измеряемого параметра от температуры, произвести такую обработку с помощью вычислительных возможностей микроЭВМ не сложно.
Для получения вида подобной зависимости необходимо провести испытание каждого датчика в отдельности. Тем самым можно практически полностью устранить температурные погрешности, вызванные тем, что датчикам приходится работать в широком температурном диапазоне.
Вид зависимости индивидуален для каждого датчика из-за использования магнитных концентраторов, в которых магнитные свойства и конструктивные параметры (магнитная проницаемость, температурная нелинейность магнитных характеристик сердечника, керн, средняя магнитная линия и др.) подвержены изменениям в процессе производства. В этом случае, необходимо дополнительное исследование влияния технологии производства и конструкции датчика на вид температурной зависимости.
Изменение температуры оказывает влияние на все части датчика. Можно представить зависимость выходного параметра датчика от температуры в виде суммы зависимостей выходного параметра от температуры, определяемыми каждой частью датчика.
Для определения значимых частей можно провести полный или дробный факторные эксперименты (корреляционный анализ) и получить приближенную функцию зависимости выходного параметра датчика от температуры. Эта зависимость нестабильна во времени из-за старения материалов, а значит через определенное время эксплуатации погрешность датчика возрастет. Причем предсказать точное время наступления этого события невозможно. Можно лишь в результате экспериментов предсказать с определенной доверительной вероятностью это время.
Для коррекции результатов измерения предлагается применять функцию, занесенную в микропроцессор датчика первоначально при настройке и/или далее в процессе периодических поверок.
Возможна следующая последовательность действий при настройке датчика.
1. Задание различных температур для настраиваемого датчика.
2. Задание образцовых измерительных сигналов (в нашем случае - от образцового источника переменного тока).
3. Запуск программы микропроцессора для снятия выходной характеристики датчика. Занесение полученных данных в микросхему памяти (например, FLASH) или в память микроконтроллера. Данные впоследствии будут использованы для коррекции температурной погрешности и организованны в виде таблиц.
Поправку в выходной сигнал датчика можно вводить двумя основными способами.
Применение подобной методики настройки позволит повысить точность измерений, улучшить взаимозаменяемость датчиков, позволить снизить затраты на изготовление датчиков (станет возможным применение более дешевой технологии производства магнитных материалов с увеличенным разбросом параметров). Для реализации этой методики необходимо определить контрольные точки (разные значения температуры) для различных магнитных материалов.
Применение данной методики потребует увеличения емкости памяти данных в датчике, а значит, повысит его общую стоимость. Учитывая то, что стоимость единицы памяти имеет устойчивую тенденцию к снижению, очевидно, что в итоге (с учетом упрощения настройки - полностью автоматизированного процесса, удешевлением материалов и улучшением метрологических характеристик) датчик станет дешевле.
На этапе настройки для конкретного значения тока вычисляется выражение (2.1) по значениям коэффициентов ах. При этом предварительно вычисляются по показаниям датчика температуры изменения коэффициентов ах при заданных условиях. Датчики температуры могут иметь точность существенно меньшую, чем точность корректируемого датчика, т.к. они определяют не абсолютное значение влияющего фактора, а лишь поправку в значении коэффициента а\ с помощью выражений, полученных на этапе автоматизированной градуировки.
Задача анализа функции преобразования заключается в нахождении аппроксимирующего выражения и оценке погрешности аппроксимации. Необходимо помнить, что чем выше степень полинома, тем сложнее программа для микропроцессора, но достижима более высокая точность измерения при меньшем числе участков аппроксимации. При реализации этого метода коррекции результатов измерений требуется хранить в памяти значительное число коэффициентов, что приводит к увеличению ПЗУ датчика.
Методика построения моделей чувствительных элементов
На рисунках 3.4 и 3.5 представлена блок-схема алгоритма синтеза машинных моделей ЧЭ. Рассмотрим состав, задачи и методы реализации каждого этапа методики.
1. На первом этапе производится формализация задач моделирования и составляется ТЗ на разработку модели. Ниже приводится подробное описание.
2. Затем производится поиск готовой модели в базе данных (БД). В качестве баз данных выступают библиотеки моделей, поставляемых вместе с программами моделирования. Обычно они хорошо структурированы, и сами программы имеют средства быстрого поиска необходимой модели по названию или фрагменту описания. Поиск эффективнее производить в БД программ моделирования, и нет необходимости составлять специальные БД.
3. Если найдена библиотечная модель, полностью удовлетворяющая требованиям ТЗ, то работа на этом заканчивается. В противном случае производится декомпозиция модели, и поиск повторяется уже для составных частей ЧЭ. Так, если пользователю необходимо создать модель магнитной системы бесконтактного ДТ с встроенными ПХ, то после декомпозиции требуемой модели будет проводиться поиск модели магнитного сердечника с учетом насыщения и воздушного зазора и модели ПХ.
4. В случае нахождения полностью всех составляющих производиться компоновка их в одну модель с проведением оптимизации структуры.
5. Найденные модели составных частей заносятся в ТЗ в качестве шаблонов для построения общей модели.
6. Если машинные модели не были найдены, то пользователю необходимо найти в литературе математические модели ЧЭ, которые могут быть положены в основу машинной модели. Этот этап не формализуемый, и, как следствие, невозможно прогнозировать результаты поиска. Для успешного завершения этапа пользователь должен быть специалистом в области ЧЭ ДТ.
7. Если ММ не найдены, то на основе интуитивного представления пользователя о ЧЭ формируется статическая модель. Статическая модель может выполняться на формульной или на табличной основе, не может быть иерархической.
В общем случае модель представляется с помощью одной математической зависимости - функции преобразования. ЧЭ можно представить четырехполюсником (рис. 3.3,а). Тогда модель будет представляться подсхемой (рис. 3.3,6), состоящей из источника напряжения, управляемого током /].
Модель будет представляться единственной передаточной функцией. Таким образом, модель может быть использована при анализе по постоянному току и при вычислении передаточной функции. Если измеряемый датчиком ток является переменным и с изменением частоты сигнала меняется передаточная характеристика, то необходимо создать несколько машинных моделей для различных фиксированных частот.
8. В случае нахождения нескольких математических моделей ЧЭ, необходимо произвести ранжирование и выбрать одну из них. Обычно эта задача решается с применением методов экспертных оценок [34].
9. Если в ТЗ на разработку машинной модели задана среда моделирования, то после выбора ММ следует проверить реализуемость модели в выбранной среде. Для этого производят пробное моделирование типовой схемы с использованием разрабатываемой модели.
10. Систему уравнений математической модели дополняют уравнениями неучтенных в ней эффектами ЧЭ. Например, в модель ПХ можно дополнительно ввести уравнения, описывающие термомагнитные эффекты. Если в ЧЭ входит магнитная система, то в модель может понадобиться ввести уравнения, описывающие зависимость э.д.с. Холла от величины воздушного зазора между ПХ и кромкой магнитного концентратора.
11. Если ММ представляет из себя систему уравнений, то в ней произво дится выделение уравнений согласно видам анализа, перечисленных в ТЗ. Декомпозиция ММ также может проводиться на основе списка проектных процедур, реализуемости в выбранных пользователем программах для расчета и моделирования (например, часть ММ может быть реализована в программе моделирования магнитного поля Quick Field, другая - в PSpice), существенных свойств объекта моделирования (ОМ), необходимой иерархии.
12. Все уравнения ММ разбиваются на зависимые и независимые. Независимые уравнения в последствии будут представляться в машинной модели четырехполюсниками.
13. Проводят проверку возможности решения уравнений ММ численными методами выбранной среды моделирования.
14. Находится отношение диапазона измеряемой величины, для преобразования которой будет использован ЧЭ, и диапазона вариации переменных ММ. На основе этого определяется необходимость масштабирования ММ.
15. Определяется необходимость введения в машинную модель механизма оповещения о нарушениях в работе ЧЭ. Например, в модель ПХ можно вести источник напряжения, выходной сигнал которого принимает два фиксированных значения, сигнализирующих о нормальной работе и перегреве ПХ в результате превышения допустимой мощности рассеивания.
16. Проводится структурный синтез модели (структура может быть последовательная или параллельно-последовательная). Если модель была расчленена на несколько самостоятельных частей, то вначале проводится структурный синтез каждой части.
17. Проводится параметрическая оптимизация полученной структуры модели ЧЭ.
18. Поиск в БД готовых решений или создание модели объекта измерения. ОИ в программах схемотехнического синтеза может быть представлен следующими способами:
а) характеристикой любой внешней модели; например, в программе APLAC можно обращаться к значениям внутренней переменной другой модели;
б) переменной среды моделирования; например, температурой в программе PSpice в случае термомагнитного ЧЭ;
в) глобальной переменной, вводимой пользователем;
г) независимым источником тока или напряжения;
д) подсхемой.
Для любого способа представления ОИ необходимо выделить исследуемые свойства и определить диапазоны их изменения.
19. Поиск в БД готовых решений или создание модели среды измерения (СИ), описывающей, например, тепловую связь между элементами ЧЭ, радиационные эффекты [9]. СИ в программах схемотехнического синтеза может быть представлена также как ОИ.
20. Если разрабатывается стохастическая модель, то на этом этапе определяется набор параметров, зависящих от случайных воздействий. Задается разброс параметров модели.
Особенностью современных программ моделирования процессов в аналого-цифровых схемах является то, что все случайные величины, например, сопротивления резисторов и емкости конденсаторов моделируемой схемы, представляются одинаковым законом распределения. В некоторых программах моделирования можно выбрать только нормальный или равномерный закон распределения. В реальных математических моделях, которые используют для построения машинных моделей, закон распределения может отличаться от принятых в программах моделирования. Это вызывает снижение адекватности машинной модели.
В программах моделирования можно декларировать связанные и независимые допуски номиналов элементов и параметров математических моделей.
21. Производится расчет динамических диапазонов токов и напряжений при моделировании типовой схемы с разрабатываемой моделью. Он не должен превышать 12 порядков, что определяется особенностями современных программ моделирования [77].
22. Минимизация числа параметров модели, значения которых задает пользователь для идентификации реальных ЧЭ. Если число идентифицирующих параметров велико, то можно создать несколько моделей, каждая из которых будет иметь минимальное число параметров.
Описание программы MeCAD и работа с ней
Выше рассмотренные алгоритмы были реализованы программно в одном исполняемом модуле. Программа получила название MeCAD (рис. 4.9). Она позволяет проектировать расширенное ТЗ. Режимы работы: автоматический и интерактивный. Разработка программы велась в среде Delphi.
Программа MeCAD состоит из следующих модулей (рис. 4.9).
1. Внешнее проектирование: формирование технического задания; поиск выпускаемых промышленностью ДТ (из БД) по данным ТЗ (подбор наиболее близкого по техническим характеристикам существующего ДТ).
2. Теоретические и справочные материалы, которые можно просматривать отдельно или использовать в качестве подсказок в процессе проектирования: ГОСТ, OCT, ISO и другие стандарты; описание способов измерения тока; описание способов питания ДТ; описание способов информационной связи ДТ с другими устройствами; список основных публикаций по всем, затрагиваемым в программе, темам (здесь же поиск публикаций по заданной теме, например, по компенсации температурной погрешности); список патентов по всем, затрагиваемым в программе темам (здесь же поиск патентов по заданной теме); справочные материалы по геометрическим размерам токопроводящих шин; справочные данные по магнитным материалам.
3. Базы данных (выпускаемые промышленностью ДТ и др.): наполнение и модификация БД; интерфейс с программой поиска реальных ДТ по данным ТЗ; добавления в БД.
4. Помощь по работе с программой: обучение работы с программой; справочник по интерфейсу; справочник по методике использования программы.
Программа MeCAD позволяет проектировать и другие структурные схемы ДТ, получаемые из обобщенной СС. При проектировании пользователь самостоятельно принимает решение в пользу выбора той или иной структурной схемы. Для этого в программе заложена база данных типов структурных схем. Проектирование начинается с выбора структурной схемы. При этом часть технического задания генерируется автоматически, пользователь получает об этом сообщение и может просмотреть сгенерированные требования к проекту.
В программе MeCAD осуществляется работа со следующими базами данных.
1. База патентов.
2. База по электронным и книжным публикациям.
3. База существующих ДТ. Используется для поиска варианта ДТ при проектировании и для получения справки. В этой же БД содержаться спроектированные в программе ДТ и определенные конструктором как реальные.
4. База способов питания ДТ.
5. База методов и средств измерения тока без разрыва цепи.
6. База магнитных материалов.
7. База методов компенсации погрешностей ДТ.
8. База методов и средств информационного взаимодействия ДТ с внешней аппаратурой.
9. База структурных схем измерительных преобразователей тока.
Организация программы MeCAD в виде совокупности баз данных с элементами управления и взаимодействия позволяет путем простой смены одной базы данных другой организовать проектирование измерительных преобразователей другого типа (например, тензодатчиков). Кроме этого, введение новых баз данных можно существенно повысить качество проектируемых устройств, благодаря учету новых факторов и характеристик ДТ.
Пользователь может воспользоваться любой базой данных для поиска интересующей информации или составлений подборки материала с последующей распечаткой или сохранением в текстовом файле.
Методика расчета магнитной системы в программе MeCAD
Программа MeCAD основана на уравнениях расчета погрешности ДТ от смещения токопровода внутри магнитопровода, полученные в работах [8, 50, 92]. Так, в магнитной системе, состоящей из круглого магнитного концентратора, расположенных в зазорах магниточувствительных элементов, токопровода, рассматривается смещение токопровода в двух направлениях.
Приведенные зависимости дают возможность решать следующие задачи, связанные с расчетом магнитной измерительной системы датчика тока:
- задача 1 - нахождение размеров магнитного концентратора по заданным размерам токопровода и максимального значения погрешности смещения;
- задача 2 - нахождение значений погрешности от смещения токопровода внутри замкнутого магнитного концентратора;
- задача 3 - определение числа ЧЭ для заданных геометрических размеров магнитной системы и погрешности от смещения.
Рассмотрим методику работы в программе MeCAD при расчете МС.
1. В начале работы создается геометрическая модель магнитной системы ДТ, включающей в себя следующие составные части:
- магнитный концентратор, для которого определяется форма (круглая, квадратная, прямоугольная), геометрические размеры;
- токопровод, для которого определяется форма (круглая, квадратная, прямоугольная), геометрические размеры;
- взаимное расположение магнитного концентратора и токопровода.
2. Выбирается число ЧЭ. Чувствительные элементы располагаются на одинаковом друг от друга расстоянии.
3. Выбирается место расположения ЧЭ в сечении магнит, концентратора -на средней магнитной линии или на среднем гармоническом радиусе [52].
4. Автоматически строится изображение магнитной системы в масштабе, удобном для просмотра на мониторе компьютера.
5. Задается максимальное значение погрешности от смещения токопровода относительно центра магнитного концентратора. Для введенного значения определяется максимальное смещение токопровода в двух направлениях: в направлении ЧЭ, в направлении между двумя ЧЭ. Если смещение более допустимых значений, определяемых геометрическими разменами МС, то можно либо уменьшить число ЧЭ и повторить расчет, либо уменьшить геометрические размеры магнитного концентратора. Расчеты повторяются до получения оптимума, складывающегося из минимального числа ЧЭ, минимальных размеров МС. Изменением формы магнитного концентратора тоже можно влиять на значение максимального смещения токопровода.
6. Для спроектированной магнитной системы находится максимальное и минимальное значения погрешности от смещения токопровода для наихудших вариантов. На рисунке модели наглядно представляются расчетные ситуации. Пользователь имеет возможность непосредственно на рисунке МС смещать токопровод и наблюдать изменение значений погрешности в двух направления, указанных выше.
7. Для заданного значения погрешности и геометрической модели магнитной системы определяется минимально возможное число ЧЭ.
8. Полученные результаты переносятся в другие программы, например, текстовые процессоры, в графическом и тестовом виде.
Геометрическая модель МС в программе MeCAD может быть создана двумя способами: прямым редактированием параметров модели в диалоговом окне «Параметры проекта» или с помощью интерактивного «помощника».
Пользователь программы может менять следующие данные, не упомянутые в методике:
- единицы измерения геометрических размеров;
- количество возможных отмен действий;
- количество точек расчета по радиусу магнитного концентратора (шаг расчета погрешности);
- режимы отображения осей симметрии, расчетной сетки;
- вид векторов погрешности (тип линии, толщина);
- число знаков после запятой в значениях погрешности, выводимых на рисунок;
- количество значений погрешности, которое может быть выведено на рисунок МС при выбранном масштабе.
Параметры разрабатываемого датчика могут сохранятся и загружаться для любого проекта.
